一種多孔金剛石或多孔立方碳化硅自支撐膜的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種多孔金剛石或多孔立方碳化硅自支撐膜的制備方法，包括：提供基體材料，并對基體材料表面進行預處理得到較高的金剛石形核率；將預處理過的基體置于微波等離子體化學氣相沉積或者熱絲化學氣相沉積反應器中，在600-900℃的溫度下，制備金剛石/立方碳化硅復合膜；將所得的復合膜進行選擇性刻蝕：1）在70℃以上的溫度下，在氫氟酸和硝酸的混合腐蝕液中刻蝕，得到多孔金剛石自支撐膜；（2）在500℃以上的溫度下，于含氧氣體的氣氛中加熱，得到多孔立方碳化硅自支撐膜。在不使用任何模板和電極材料的情況下，獲得的多孔金剛石和多孔立方碳化硅自支撐膜具有可控的孔徑，孔隙率以及厚度，適用于工業應用及基礎研究。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術公開了，包括：提供基體材料，并對基體材料表面進行預處理得到較高的金剛石形核率；將預處理過的基體置于微波等離子體化學氣相沉積或者熱絲化學氣相沉積反應器中，在600-900℃的溫度下，制備金剛石/立方碳化硅復合膜；將所得的復合膜進行選擇性刻蝕：1）在70℃以上的溫度下，在氫氟酸和硝酸的混合腐蝕液中刻蝕，得到多孔金剛石自支撐膜；（2）在500℃以上的溫度下，于含氧氣體的氣氛中加熱，得到多孔立方碳化硅自支撐膜。在不使用任何模板和電極材料的情況下，獲得的多孔金剛石和多孔立方碳化硅自支撐膜具有可控的孔徑，孔隙率以及厚度，適用于工業應用及基礎研究。【專利說明】
本專利技術涉及。
技術介紹
由于其具有大表面積以及良好的滲透性，多孔材料在基礎研究以及工業生產中具有很高的應用價值。通過同原子，離子以及分子間的相互作用，多孔材料在離子交換、過濾、植入材料的涂層、吸附生物化學物質、催化劑載體、藥物釋放裝置、醫學診斷等領域具有很高的應用前景。然而，不同的應用對多孔材料的性能要求往往不同，如不同的化學穩定性，機械穩定性，表面親水/疏水性，孔徑大小，孔隙率等。在目前的材料體系中，金剛石和立方碳化硅具有優異的化學、機械以及電學性能。過去的幾十年中，在利用化學氣相沉積技術低成本制造金剛石和碳化硅薄膜的同時，生產金剛石和立方碳化硅的多孔結構引起了人們的廣泛興趣。其原因在于多孔金剛石和立方碳化硅的元器件在催化劑載體平臺，電子器件，燃料電池的陰極等領域具有其它材料所沒有的優勢。但是，要實現金剛石和立方碳化硅多孔材料的廣泛應用，就必須要實現其穩定的、可控性的生產。然而，目前這兩種多孔材料的生產仍然具有許多不容忽視的缺點。 多孔金剛石: 由于金剛石極強的化學惰性，生產多孔金剛石極為困難。目前，比較流行的生產多孔金剛石的方法為模板法。其主要包括兩種不同的策略:1)直接沉積在多孔基體上 ;2)從犧牲模板上刻蝕。盡管用這兩種方法能制備出可控孔隙率的多孔金剛石薄膜，但是其孔徑的大小和孔結構很大程度上取決于模板材料。孔徑一般為微米級別，并不能滿足大部分工業應用的需求。例如，如果要將多孔金剛石應用于生物分子擴散領域，就要求其孔徑的大小至少是在納米級別。與此同時，模板法中的最基本元素——模板的制備，或需要昂貴的設備，或具有復雜的工藝過程，從而增加了多孔金剛石的制備成本。另外，要獲得自支撐的多孔金剛石薄膜，又需要對模板材料進行移除，這又增加了一定的技術難度和生產成本。因此，無模板法制備多孔金剛石更受青睞。然而，目前無模板法生產多孔金剛石仍有很大的局限性，而且鮮有報道。Sakaue H, Yoshimura N等人在Applied Physics Letters,v83，2003，2226頁中描述了利用旋涂法制備多孔金剛石；而Kriele A，Williams O等人在Chemical Physics Letters v507, 2011, 253頁中描述了利用移除金剛石晶界中無定形碳的方法來制備多孔金剛石。然而，這兩種方法只能制備具有固定孔隙率和孔徑大小的多孔金剛石薄膜，無法進一步控制薄膜的孔隙率和孔徑大小。Wei Q, Ashfold M等人在PhysicaStatus Solidi a，v208，2011，2033頁中描述了直接在碳化鎢基體上沉積多孔金剛石的方法。然而，此方法只能應用于特定的碳化鎢基體表面，并且缺乏對其生長機理的理解。從而無法進一步對它的孔徑大小和孔隙率進行控制。由此可見，目前仍然缺乏一種適合于工業化生產的方法來制備具有可控孔隙率和孔徑大小的多孔金剛石薄膜。 多孔立方碳化硅: 相對于多孔金剛石來說，生產多孔立方碳化硅的方法就比較成熟了。目前較為廣泛應用的多孔立方碳化硅的制備方法主要是通過將立方碳化硅氧化成二氧化硅，然后再由氫氟酸進行二氧化硅的刻蝕來實現的，主要包括在氫氟酸溶液中進行陽極氧化碳化硅薄膜中所述，和光電化學刻蝕碳化娃[如Ke Y, Devaty R等；在PhysicaStatus Solidi b,v245，2008，1396頁中所述]這兩種方法。通過這兩種方法可以制備出具有可控孔徑大小(數納米到數微米)和連續孔網絡的立方碳化硅薄膜。用這種辦法制備的多孔碳化硅被廣泛應用于蛋白質的選擇性擴散,熱氣體清潔以及催化劑載體等領域。反應離子刻蝕法也曾被用于多孔碳化硅膜的制備。但是該方法需要相當昂貴的設備投入，因此在工業應用上并不是十分推薦。雖然前兩種方法的生產成本低，但是它們也有一定的局限性。首先，它們要求制備多孔碳化硅的基體具有良好的導電性，從而無法制備不導電多孔碳化硅作為多孔絕緣膜。同時，這些方法需要在基體表面引入金屬電極。這不僅僅在多孔碳化硅膜中引入了金屬雜質，也增加要在生產完成后將金屬電極去除的步驟，從而增加了生產成本。因此，無電極法制備多孔碳化硅無論在生產還是在應用上都更受歡迎。
技術實現思路
為了克服上述現有技術的缺陷，本專利技術的目的在于提供，該方法利用金剛石/立方碳化硅復合膜作為基礎材料，通過選擇性刻蝕的方法可以制備具有不同孔徑大小和孔隙率的多孔金剛石自支撐膜或多孔碳化娃自支撐膜。 本專利技術技術方案如下: ，該方法包括以下步驟: (I)提供基體材料，并對該基體表面進行預處理，在基體表面獲得聞于109cm 2的金剛石形核率； (2)將預處理過的基體放入微波等離子體化學氣相沉積設備或者熱絲化學氣相沉積設備的反應腔體中，在500-1000°C的溫度下，充入反應性氣體進行化學氣相沉積，在基體表面生長金剛石/立方碳化娃復合膜； (3)在70°C以上的溫度，將步驟(2)獲得的金剛石/立方碳化硅復合膜在氫氟酸和硝酸的混合腐蝕液中腐蝕，除去其中的碳化硅相，得到多孔金剛石自支撐膜；或者在500°C以上的溫度，將金剛石/立方碳化硅復合膜于含氧氣體的氣氛中加熱，除去其中的金剛石相，得到多孔立方碳化硅自支撐膜。 其中；步驟(1)中以鏡面拋光的材料作為基體，基體材料的表面粗糙度Rz低于5nm，基體材料可以為硅、鑰、石英、鎢或碳化鎢等。 步驟(1)中，所述預處理是將基體在含金剛石顆粒(顆粒大小小于10微米)的研磨劑中研磨至少十分鐘；或者，將基體在含金剛石顆粒的水溶液(顆粒大小最佳為5nm，質量濃度0.05%)中進行超聲處理至少十分鐘；或者將基體在含金剛石顆粒的水溶液(顆粒大小最佳為5nm,質量濃度0.05%)中浸泡至少十分鐘。 步驟(2)中，所述反應性氣體為烴類、有機硅烷和氫氣，其中:所述反應性氣體流量lOOsccm-lOOOsccm，有機硅烷與烴類的濃度比為6%。-75%。，烴類體積濃度為0.5%_2%。 步驟(2)中，所述化學氣相沉積溫度為600-900°C，沉積速率為0.5微米/小時；在微波等離子體設備中，微波功率為500瓦-3500瓦，氣壓為5Torr-100Torr ;在熱絲化學氣相沉積設備中，燈絲溫度為1800K-2200K，氣壓為5Torr-30Torr。 步驟(2)中，所述金剛石/立方碳化硅復合膜中，金剛石和立方碳化硅的含量比可以通過有機硅烷與烴類的濃度比進行調控；所述金剛石/立方碳化硅復合膜的厚度可以通過化學氣相沉積時間來控制。步驟(3)中獲得的多孔立本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多孔金剛石或多孔立方碳化硅自支撐膜的制備方法，其特征在于：（1）提供基體材料，并對該基體表面進行預處理，在基體表面獲得高于109cm?2的金剛石形核率；（2）將預處理過的基體放入微波等離子體化學氣相沉積設備或者熱絲化學氣相沉積設備的反應腔體中，在500?1000℃的溫度下，充入反應性氣體進行化學氣相沉積，在基體表面生長金剛石/立方碳化硅復合膜；（3）在70℃以上的溫度，將步驟（2）獲得的金剛石/立方碳化硅復合膜在氫氟酸和硝酸的混合腐蝕液中腐蝕，除去其中的碳化硅相，得到多孔金剛石自支撐膜；或者在500℃以上的溫度，將金剛石/立方碳化硅復合膜于含氧氣氛中加熱，除去其中的金剛石相，得到多孔立方碳化硅自支撐膜。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：姜辛，莊昊，拖森史泰勒，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21