[发明专利]将金刚石层施涂在石墨基体上的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据化学气相沉积法将金刚石层施涂在石墨基体上的方法。

背景技术

已知在真空涂布设备中采用CVD(化学气相沉积)法从含碳气相沉积金刚石晶体，从而可在适当的基材上制备金刚石涂层。在此，该工艺气体是氢气(H₂)和甲烷(CH₄)。沉积金刚石相(sp³-改性碳)的前提条件为：抑制热力学稳定性更强的碳结晶相(sp²-改性碳-石墨)。为此使用高浓度的原子氢，因为氢原子能打开双键，并且选择性地腐蚀去除非期望的碳相，从而使金刚石的生长稳定化。采用加热方式或者通过等离子体来活化工艺气体，从而产生所需的生长条件。已知可使用含有1％甲烷的氢气作为工艺气体，生长温度为700至1000℃，气体压力在40至400mbar之间。

电化学应用的需要在于，在作为石墨基体的石墨电极体上施涂含有金刚石层的金刚石电极。根据CVD法在石墨基体上制备金刚石涂层的问题在于：在CVD涂布过程中始终也会形成石墨，其需要通过原子氢加以腐蚀并去除。当使用石墨基体时，基材本身成为实际上取之不尽的可以腐蚀的碳源，因而常规的CVD法无法用于石墨基体的金刚石涂布。

该问题的一种解决方案在于：给石墨基体镀上一层诸如金的惰性金属层作为中间层，从而将石墨基体的腐蚀与非期望地形成的sp²-改性碳在CVD过程中期望地腐蚀去除相分离。然而，该解决方案不适用于许多电化学应用，因为贵金属在某些电解质中是不稳定的。

发明内容

本发明要解决的问题在于：对于某些电化学应用而言，没有提供具有石墨基体的金刚石电极，因为无法以可靠的方式将金刚石涂层直接施涂在石墨基体上。

因此，本发明的目的在于：在石墨基体上实现可靠的金刚石涂层。

为了实现该目的，在CVD法之前对石墨基体实施下列预处理步骤：

-在高于500℃，优选高于800℃的温度下于真空中在蚀刻气体气氛中精细净化表面，

-机械去除松散的颗粒，

-用极细的金刚石颗粒给基体表面施加晶种，及

-在T＞500℃，优选T＞700℃的温度下于真空中进行至少一次脱气处理以去除吸附的烃类和吸附的空气。

根据本发明的方法首次允许在CVD法中将金刚石层直接施涂在石墨基体上。根据本发明的方法基于以下认识：必须以适当的方式对优选为电极体形式的石墨基体进行预处理，其中该预处理应当保证在CVD法中于涂布过程中迅速形成封闭的金刚石层，该金刚石层用作基体的保护层，并且保护基体不被氢气腐蚀。若形成保护层，则如同常见的金属电极体一样实施涂布过程。

若需要，则可在根据本发明的方法之前设置粗略净化步骤，通过该步骤去除可能存在的脂肪和/或油类残留物，从而使金刚石层可以在石墨基体上生长。本发明方法的主要步骤在于给石墨基体表面施加晶种。根据本发明，通过精细净化基体表面以及甚至利用蚀刻过程而为本身已知的施加晶种作准备。为此，在大于500℃，优选大于700℃，特别优选大于800℃的温度下于真空中在蚀刻气体气氛中，优选在氢气氛中处理石墨基体的表面。在该处理过程中，从石墨显露出石墨颗粒。因此，可由石墨复合物至松散的颗粒形成例如以CH₃-、CH₂-、CO-基形式的边缘基团，随后机械去除该颗粒。以此方式腐蚀去除石墨基体表面之后，用极细的金刚石颗粒给基体表面施加晶种。以本身已知的方式施加晶种，使得生长的金刚石层聚集在已存在的金刚石材料上，从而可以比不施加晶种的情况更迅速更均匀地生长。可以利用含有醇液体或水液体的悬浮液施加晶种。该液体渗入石墨的多孔表面之中，并且在此吸附，从而使金刚石颗粒均匀地分布在石墨基体的表面上。

石墨基体通常不是由实心材料组成，而是由烧结和/或压实的材料组成。因此，石墨基体具有很大的孔隙率。取决于生产参数和生产方法，孔隙率根据石墨类型而变化。对于本发明方法重要的是：去除由于预处理步骤而积聚在表面上或者从表面进入孔表面的空气、烃类和水。因此，根据本发明对石墨基体实施至少一次脱气处理，以去除吸附的烃类和吸附的空气。为此，采用大于500℃，优选大于700℃，更优选大于800℃的温度。若例如在施加晶种时用水处理石墨基体，则也实施脱气处理以去除所有的水。

根据本发明的预处理首次允许在石墨基体上制备可负载的金刚石涂层，尤其是对于使用石墨作为电极体的金刚石电极而言。由此开辟金刚石电极的崭新的应用领域。