本發(fā)明涉及金剛石基底制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金剛石基底及其制備方法。

背景技術(shù)：

金剛石具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)，在已知的所有物質(zhì)中具有最高的硬度，室溫下具有最高的熱導(dǎo)率，寬的禁帶寬度（5.5eV），最高的聲傳播速度，較高的半導(dǎo)體摻雜性以及從遠(yuǎn)紅外光區(qū)到紫外光區(qū)的光學(xué)透過(guò)性，使得其在機(jī)加工、微電子、光學(xué)等許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而天然金剛石數(shù)量稀少，高溫高壓合成的金剛石不僅價(jià)格昂貴，而且合成金剛石的粒度受限，這使金剛石的優(yōu)異性能不能得到充分利用。1982年，Matsumto等人使用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備出了金剛石膜，使得金剛石的優(yōu)異性能得以充分發(fā)揮，從而在全世界范圍內(nèi)掀起了CVD金剛石膜研究熱潮。目前，我國(guó)也加大了對(duì)金剛石膜研究的投資力度，現(xiàn)已有多家公司和研究單位投入了大量的人力、物力進(jìn)行此項(xiàng)工作的研究。根據(jù)國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，金剛石涂層工具、金剛石熱沉基片、場(chǎng)發(fā)射顯示器件、聲表面波器件及納米金剛石膜的應(yīng)用將有望陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)。

金剛石膜進(jìn)行生長(zhǎng)的首要條件是要選擇合適的基底材料。而合適的基底材料通常要考慮如下幾個(gè)方面：1）盡量與金剛石的熱膨脹系數(shù)相差較小，這樣才能保證膜與基底有較好的附著力；2）盡可能得與金剛石的晶格常數(shù)相接近以使得金剛石在其上進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生較小的晶格畸變，進(jìn)而產(chǎn)生較小的內(nèi)應(yīng)力；3）要能夠承受CVD金剛石生長(zhǎng)過(guò)程中的高溫。綜合以上條件，通常選擇用來(lái)作為金剛石基底的材料主要有金剛石本身、硅（Si）、SiC、銅、不銹鋼、高速鋼、陶瓷材料、鉬、硬質(zhì)合金（WC-Co）、等。已有多篇文獻(xiàn)提到過(guò)，金剛石更容易在金剛石基底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)，這是由于提高了金剛石形核的密度。對(duì)單晶金剛石生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)尤其是這樣，到目前為止都必須使用單晶金剛石做基底才能夠合成出單晶金剛石，但目前單晶金剛石的價(jià)格仍很昂貴。相較于這種很昂貴的大尺寸金剛石顆粒，粒徑在1～300μm的金剛石微粉的價(jià)格相對(duì)低廉。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種金剛石基底及其制備方法。

本發(fā)明技術(shù)方案為：

一種金剛石基底，所述金剛石基底包括按照重量份計(jì)的以下組分：

聚酰亞胺0.5-5份，金剛石微粉95-99.5份；

所述金剛石微粉粒徑為0.05～1000μm，所述聚酰亞胺的溶液濃度為5%～20%。

優(yōu)選地，所述金剛石基底包括按照重量份計(jì)的以下組分：

聚酰亞胺1-3份，金剛石微粉97-99份。

所述金剛石基底的制備方法，所述方法包括以下步驟：

1）將聚酰亞胺溶液加入到金剛石微粉中，混料均勻，得到混合物；

2）選擇所需形狀和尺寸的加工模具，將步驟1）混合物裝入模具中并用玻璃棒均勻攤開(kāi)；

3）將上述裝入混合物的模具放入烘箱中進(jìn)行升溫凝固；

4）將經(jīng)步驟3）烘干凝固好的混合物在不同型號(hào)的砂紙上打磨成需要的形狀和厚度；

5） 將經(jīng)步驟4）打磨好的混合物放入熱CVD爐中碳化；

7）將碳化好的混合物隨爐冷卻到室溫；

得到所述金剛石基底。

優(yōu)選地，所述步驟1）混料時(shí)間為1~2min，混料轉(zhuǎn)速為2500~3500 r/min。

優(yōu)選地，所述步驟2）形狀為正方形或長(zhǎng)方形或圓形或其他，所述模具材料為金屬或木質(zhì)或塑料或其他。

優(yōu)選地，所述步驟3）升溫凝固程序?yàn)椋?/p>

0-1分鐘，勻速升溫至80℃；1-2分鐘，溫度為80℃；

2-3分鐘，勻速升溫至120℃；3-4分鐘，溫度為120℃；

4-5分鐘，勻速升溫至200℃；5-6分鐘，溫度為200℃；

6-7分鐘，勻速升溫至250℃；7-8分鐘，溫度為250℃；

8-9分鐘，勻速升溫至300℃；9-10分鐘，溫度為300℃；

自然降溫。

優(yōu)選地，所述步驟5）碳化溫度為700-1000 ℃，碳化時(shí)間為1-2 h。

制備好的金剛石基底放入CVD沉積設(shè)備（包括微波等離子體CVD、直流等離子體CVD、熱絲CVD設(shè)備）中進(jìn)行金剛石膜的生長(zhǎng)。

本發(fā)明有益效果：

1、本發(fā)明將金剛石微粉緊密的粘結(jié)在一起，可以獲得一種低廉的以金剛石本身為主要成分的新型基底，而這種金剛石基底成功制備，將大大提高金剛石的生長(zhǎng)速率和沉積質(zhì)量，另外，使用的金剛石微粉有小粒徑的多晶也有大粒徑的單晶，這些金剛石微粉與即將要在其上生長(zhǎng)的金剛石膜是同一種物質(zhì)，由于顆粒之間沒(méi)有化學(xué)鍵結(jié)合，生長(zhǎng)完后的自支金剛石厚膜更容易從基底上脫落（采用硅基底通常是生長(zhǎng)完后用氫氟酸浸泡24h以上才能獲得。）。

2、本發(fā)明中加入高分子粘結(jié)劑起到一個(gè)將大量金剛石微粉連接到一起的骨架作用。聚酰亞胺樹(shù)脂是一種耐熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高的高分子材料，可以作為結(jié)構(gòu)膠黏劑的主體材料使用，本專利就是利用其作為膠黏劑來(lái)使用的。此外，該高分子膠黏劑中只含有C、H、O、N四種元素，而這些元素在后續(xù)碳化中又將以氣體的形式揮發(fā)并排出到空氣中，這使得后期金剛石在該新型基底上的沉積不受其上雜質(zhì)元素的影響。

3、本發(fā)明金剛石微粉在后期金剛石沉積結(jié)束后，又恢復(fù)為金剛石微粉，可以反復(fù)利用，并且可以根據(jù)不同產(chǎn)品、尺寸的要求重新制作成新的基底，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

4、本發(fā)明與常用的其他非金剛石基底相比，該基底的主要組成成分就是金剛石微粉，這與將要沉積的金剛石膜屬于同一種物質(zhì)，可以提高金剛石的生長(zhǎng)速率和沉積質(zhì)量，這是因?yàn)椴捎媒饎偸讜?huì)大大增加初期的生長(zhǎng)點(diǎn)，從而大大提高形核密度，進(jìn)而提高金剛石的生長(zhǎng)速率和沉積質(zhì)量。

5、設(shè)置梯度升溫程序逐漸固化和去除空氣，以免產(chǎn)生氣泡，讓顆粒之間粘結(jié)更牢固緊密。

6、碳化去除聚酰亞胺的粘結(jié)劑，使后面進(jìn)行金剛石的生長(zhǎng)就更加純凈。

7、本發(fā)明金剛石基底也以另外一種方式增加了金剛石膜的沉積速率，由于基底材料為金剛石，由于基底材料為金剛石，改善基底表面的沉積環(huán)境為同質(zhì)外延，因此大大增加了金剛石前期的生長(zhǎng)點(diǎn)，即提高了金剛石的形核密度，進(jìn)而提高了CVD金剛石的沉積速率，附圖9顯示生長(zhǎng)6h后的厚度達(dá)到30um，提高多晶金剛石沉積速率至5 um/h，普通的生長(zhǎng)高質(zhì)量多晶金剛石的速率只有1-3 um/h，因此本發(fā)明金剛石基底增加了金剛石膜的沉積速率。

附圖說(shuō)明

圖1混合均勻后的金剛石微粉和高分子粘結(jié)劑；

圖2 裝入磨具中的金剛石微粉和高分子粘結(jié)劑的混合物；

圖3 烘干后的金剛石微粉和高分子粘結(jié)劑的混合物；

圖4打磨后的金剛石微粉和高分子粘結(jié)劑的混合物；

圖5 碳化后的金剛石微粉和高分子粘結(jié)劑的混合物實(shí)物圖；

圖6 碳化后的金剛石微粉和高分子粘結(jié)劑的混合物掃描電子顯微鏡照片；

圖7 碳化后的金剛石微粉和高分子粘結(jié)劑的混合物Raman檢測(cè)譜；

圖8采用本發(fā)明沉積的金剛石膜沉積結(jié)果的表面SEM圖；

圖9采用本發(fā)明沉積的金剛石膜沉積結(jié)果的截面SEM圖，生長(zhǎng)6h后金剛石膜厚度約30um，沉積速率約為5 um/h；

圖10采用本發(fā)明沉積的金剛石膜的Raman檢測(cè)譜；

圖11升溫凝固程序示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。

實(shí)施例1

本發(fā)明提供一種新型金剛石基底的制備方法，具體包括如下步驟：

1）首先稱取粒徑為2μm的金剛石微粉1.5g ，然后再稱取已經(jīng)配置好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的聚酰亞胺溶液0.3g，以使得金剛石微粉占金剛石微粉與聚酰亞胺總質(zhì)量的百分比為98.5%，圖1；

聚酰亞胺溶液：產(chǎn)自常州福潤(rùn)特塑膠新材料有限公司（熱塑型PAA-1）溶劑為N-甲基吡咯烷酮（NMP），固含量是19% ，環(huán)保，是非危險(xiǎn)品，粘結(jié)性高。

2）將上述混合好的混合物DAC 150.1 FVZ型混料機(jī)中混合，混料時(shí)間為1min，混料轉(zhuǎn)速為3000r/min；

3）將上述混好的混合物放入大小為30×30mm²的鋁片-錫紙模具中，該鋁片與錫紙模具在使用前已經(jīng)用酒精清洗干凈，圖2；

4）將裝有混合物的模具放入烘箱中，設(shè)置的升溫程序如圖11所示，見(jiàn)圖3；

5) 將凝固好的金剛石和聚酰亞胺的混合物進(jìn)行脫模；

6) 將脫模后的上述混合物在不同規(guī)格的SiC砂紙上進(jìn)行打磨（圖4），最終打磨成尺寸約為20×20×5mm³的塊體；

7）將上述塊體放入熱CVD碳管爐中進(jìn)行真空碳化，在900℃的碳化溫度下保溫2h（圖5、圖6、圖7），然后隨爐自然冷卻；

8）接下來(lái)我們?cè)诘玫降纳鲜鰤K體（稱之為新型金剛石基底）上進(jìn)行了金剛石膜沉積，得到金剛石膜（圖8、圖9、圖10）。

實(shí)施例2

1）首先稱取粒徑為20μm的金剛石微粉1.5g，然后再稱取已經(jīng)配置好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的聚酰亞胺溶液0.3g，以使得金剛石微粉占金剛石微粉與聚酰亞胺總質(zhì)量的百分比為98.5%（該比值是經(jīng)過(guò)在多次不同質(zhì)量比下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得到的較理想的比值之一，該比值的波動(dòng)范圍在98.5%±0.5%內(nèi)都可以認(rèn)為是較理想的）；

2）將上述混合好的混合物放入混合機(jī)中混合，混合時(shí)間為1min，混合轉(zhuǎn)速為3000r/min；

3）將上述混好的混合物放入大小為30×30mm²的鋁片-錫紙模具中，該鋁片與錫紙模具在使用前已經(jīng)用酒精清洗干凈；

4）將裝有混合物的模具放入烘箱中，由于使用的膠黏劑是聚酰亞胺膠黏劑，所以根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研及本實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證過(guò)程，設(shè)置的升溫程序如表1所示；

5) 將凝固好的金剛石和聚酰亞胺的混合物進(jìn)行脫模；

6) 將脫模后的上述混合物在不同規(guī)格的SiC砂紙上進(jìn)行打磨，最終打磨成尺寸約為20×20×5mm³的塊體；

7）將上述塊體放入熱CVD碳管爐中進(jìn)行真空碳化，在900℃的碳化溫度下保溫2h，然后隨爐自然冷卻；

8）接下來(lái)我們?cè)诘玫降纳鲜鰤K體（稱之為新型金剛石基底）上進(jìn)行了金剛石膜沉積。

實(shí)施例3

1）首先稱取粒徑為200μm的金剛石微粉1.5g，然后再稱取已經(jīng)配置好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的聚酰亞胺溶液0.2g，以使得金剛石微粉占金剛石微粉與聚酰亞胺總質(zhì)量的百分比為99%；

2）將上述混合好的混合物放入混合機(jī)中混合，混料時(shí)間為1min，混料轉(zhuǎn)速為3000r/min；

3）將上述混好的混合物放入大小為30×30mm²的鋁片-錫紙模具中，該鋁片與錫紙模具在使用前已經(jīng)用酒精清洗干凈；

4）將裝有混合物的模具放入烘箱中，由于使用的膠黏劑是聚酰亞胺膠黏劑，所以根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研及本實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證過(guò)程，設(shè)置的升溫程序如表1所示；

5) 將凝固好的金剛石和聚酰亞胺的混合物進(jìn)行脫模；

6) 將脫模后的上述混合物在不同規(guī)格的SiC砂紙上進(jìn)行打磨，最終打磨成尺寸約為20×20×5mm³的塊體；

7）將上述塊體放入熱CVD碳管爐中進(jìn)行真空碳化，在900℃的碳化溫度下保溫2h，然后隨爐自然冷卻；

8）接下來(lái)我們?cè)诘玫降纳鲜鰤K體（稱之為新型金剛石基底）上進(jìn)行了金剛石膜沉積。

上述的實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，而不應(yīng)視為對(duì)于本發(fā)明的限制，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征在不沖突的情況下，可以相互任意組合。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求記載的技術(shù)方案，包括權(quán)利要求記載的技術(shù)方案中技術(shù)特征的等同替換方案為保護(hù)范圍。即在此范圍內(nèi)的等同替換改進(jìn)，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。