[发明专利]一种在莫桑钻表面沉积金刚石膜涂层的方法

说明书

本公开涉及一种在莫桑钻表面沉积金刚石膜涂层的方法，所述方法包括以下步骤：(1)在纳米金刚石粉末悬浮液中对莫桑钻进行超声研磨预处理；(2)将经过超声研磨处理后的莫桑钻取出并清洗；(3)对清洗后的莫桑钻施加压力，使其固定于样品台预先设定的凹部内，所述样品台的凹部为倒圆锥形结构，在所述倒圆锥形结构的顶端设置圆环形台阶；(4)对带有莫桑钻的样品台进行等离子体处理，然后进行金刚石膜化学气相沉积，得到带有金刚石膜涂层的莫桑钻。采用本公开提供的方法能够使带有金刚石膜涂层的莫桑钻在保持莫桑石光学性能(火色)的同时，具有优异金刚石膜的物理化学性能，其表面硬度达到金刚石的硬度，可大大提高莫桑石抗划伤的性能。

技术领域

本公开涉及化学气相沉积镀膜技术领域，尤其涉及一种在莫桑钻表面沉积金刚石膜涂层的方法。

背景技术

莫桑石是碳化硅的单晶体形态，在地球环境自然界中并不存在，因其在陨石坑中被发现，被认为其来自于地外天体。人工合成的莫桑石是一种优良的宽禁带半导体材料，是目前世界各国对于新一代高性能半导体材料的主要研究对象之一。莫桑石的折射率为2.46-2.59，比金刚石(钻石)的折射率还高(2.42)，即其闪亮程度(火色)比钻石还要好；加上其热导率也非常高(490W/cm·K)，使其成为与金刚石(钻石)逼真度最高的高仿钻石。

尽管莫桑石的硬度也很高(莫氏硬度9.2)，但与钻石的硬度(莫氏硬度10)仍有明显的差别。因此，在莫桑石饰品表面施加一层金刚石膜(钻石薄膜)，使其具有和钻石一样的物理化学特性的同时，也具有和钻石一样高的硬度是追求的目标。

Neogi等在美国专利(US20160029748A1)中公开了采用纳米金刚石粉末浆料浸涂法在包括莫桑石在内的各种宝石饰品表面制备纳米金刚石涂层的方法；但浆料浸涂法本质上是一种物理方法，纳米金刚石涂层与宝石衬底的附着力仅仅来源于纳米金刚石颗粒与宝石表面原子间的“范德瓦尔斯力”，这是一种弱作用力，因此会导致附着力很差。此外，浆料浸涂法很难保证涂层厚度的均匀性和重复性，更重要的是纳米金刚石粉末的光学性能欠佳，影响涂层后宝石的火色，这对于宝石饰品来说，是完全不可接受的。

K.纳索等曾在专利(CN108823550A,WO98/21386)中公开了一种采用化学气相沉积(CVD)方法在碳硅石(莫桑石)饰品表面施加金刚石膜涂层的方法，由于宝石饰品的形状特殊(如钻戒)，K.纳索等设计了一种带圆孔的样品台，让圆孔的直径略小于钻戒饰品的腰径，这样一来，尖顶(倒棱锥状)的亭部就可以稳稳当当地放置在圆孔之中，而让钻戒的台面和冠部置于金刚石膜沉积气氛(H₂/CH₄或H₂/CH₄/Ar高温或高温等离子体气氛)之中，达到可以沉积金刚石膜的目的。

但是，由于钻戒饰品的亭部是倒棱锥形的，亭部与圆孔样品台仅有几条棱边接触，且均为点接触，这必然地会导致处于金刚石膜沉积高温(或高温等离子体)气氛中的莫桑钻样品与样品台之间的热传导变得极差(热阻塞)，进而必然导致莫桑钻样品迅速升温，直至高于金刚石膜沉积所要求的最佳温度范围(700-1000℃)。为了降低莫桑钻样品表面温度，就必须降低输入功率，或降低沉积腔气体压力，如果还不能满足金刚石膜沉积温度要求，就只能将莫桑钻样品从高温气流(或高温等离子体)移开，而不得不采用所谓远程沉积(Remote Deposition)模式，因此，在CN108823550A的两个实施例中，均采用微波等离子体远程沉积，以及很低的压力(2Torr，正常金刚石膜沉积压力为20-400Torr)。