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超硬薄膜复旦大学材料科学系薄膜材料与器件沈杰超硬薄膜超硬薄膜:一般指硬度远高于钢材(不锈钢HV=200),且镀在工具、模具等的表面可以明显提高耐磨性能的薄膜,如TiN(HV=2000~2400)、TiC(HV=2900~3800)、BN和类金刚石膜(HV=3000~5000)等。种类:金刚石膜类金刚石膜金属氮化物膜金属碳化物膜金属硼化物膜金属氧化物膜碳的不同形式石墨金刚石富勒烯(C60)石墨烯碳纳米管金刚石与石墨金刚石薄膜金刚石天然金刚石:稀少,用于首饰人工合成金刚石:高温(1500~2000℃)、高压(5000~10000MPa),用于制造切割、切削工具和首饰金刚石薄膜工具1950~60年代前苏联、美国等先后在低压下利用热解CBr4或CH4的方法实现了金刚石多晶薄膜沉积(速率很慢,)。后发展出化学输运反应法,速率升至1μm/h。目前已有热丝CVD法、射频等离子体CVD法、直流弧光等离子体CVD法、微波等离子体CVD法和火焰燃烧法等,可生长出性能优异的大面积金刚石膜,最高速率可达930μm/h。低温:(<1000℃)低压:(<1大气压)结构特点:面心立方点阵,结晶学元胞可看成是两个面心立方晶胞沿空间对角线位移1/4套构成的。晶胞由18个原子组成,1个惯用晶胞只独占8个原子。原子体密度为8/a3。最小重复单元是正四面体。金刚石结构排列较空,原子填充的有效空间约占晶胞总体积的34%,有较大空隙;另一种是六角形空隙。金刚石结构金刚石结构金刚石力学性能硬度最高,摩擦系数低,是优异的切削工具、模具涂层。低密度、高弹性模量,可做高保真扬声器高音单元的振膜。摩擦系数低,散热快,可做宇航用的特殊轴承及导弹的整流罩材料。力学性能天然金刚石CVD金刚石硬度/GPa10070~100密度/g·cm-~/℃4000~4000弹性模量/×1012杨氏模量/~·m1/2~~8抗拉强度σb~3GPa200~×10-6/×10-6/×10-6/×10-6/×10-6/×10-6/K金刚石电学性能宽带隙(),高击穿电压(106~107V/cm),高电子、空穴迁移率(空穴迁移率比单晶Si,GaAs高得多),可用于大功率高频器件和高温半导体器件。电学性能天然金刚石CVD金刚石禁带宽度/·cm1016>1012击穿电压/V·cm-×106电子迁移率/cm2·(V·s)-12200空穴迁移率/cm2·(V·s)-×·cm-~~5μm存在微小的声子振动引起的吸收峰外,从紫外(220nm)到远红外(毫米波段)整个波段都具有高透过率,是大功率红外激光器和探测器的理想窗口。可用作各种光学透镜的保护膜,雷达罩(雷达波穿透时不易失真)等。光学性能性能透明性225nm~,高电阻率,可做集成电路基片和绝缘层及固体激光器的导热绝缘层,还可用于大功率激光器、微波器件等。热学性能热导率/W(cm·K)-1线膨胀系数/℃电阻率/Ω·×10-6>×10-