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【研究室总体介绍】

    碳基材料与功能薄膜研究室隶属于北京科技大学功能材料研究所,共有教师6人。研究方向主要有:大面积高品质自支撑金刚石膜制备与加工、碳材料(金刚石、碳纳米管、石墨烯等)电子器件的研究与应用、CVD金刚石单晶生长与应用、高功率电子器件热管理、新型功能薄膜材料及其制备技术、磁性功能材料与应用、纳米材料与生态环境材料、薄膜表面功能化修饰、高级电化学水处理技术、氮、碳和氧化物硬质膜与超纳米金刚石摩擦磨损应用、等离子体表面合金化与等离子体诊断等方向的研究。研究室以基础研究与工业实用相结合,承担了军品配套项目、国际合作项目、国家自然科学基金等多项课题,以及省部级和企业合作开发项目。

【研究室成员介绍】

李成明 唐伟忠 孙爱芝 黑立富 魏俊俊 刘金龙

李成明  教授,博士生导师

唐伟忠  教授,博士生导师

孙爱芝  副教授,硕士生导师

黑立富  讲师

魏俊俊  讲师

刘金龙  讲师

【研究室主要研究内容及科研成果】

1、大面积高品质自支撑金刚石膜制备与加工

    直流电弧等离子体喷射CVD制备金刚石膜具有沉积面积大、质量高、沉积速率快的特点。本实验室从90年代初自行研发直流电弧等离子体喷射CVD设备进行大面积高品质金刚石自支撑膜的制备和加工,目前已形成一整套完整的金刚石膜制备、成型加工、精密抛光的技术流程和规范。本研究室目前能够制备最大直径150mm,厚度2mm的光学级自支撑金刚石膜,表面光洁度可达5nm以下,可以实现军事和民用光学窗口、高功率电子器件散热等领域的应用。承担国防科工局军品配套项目、国家自然科学基金项目及教育部博士点基金项目多项。发表相关学术论文30余篇,申请国际发明专利1项,国内发明专利10余项。

2、高功率微波等离子体金刚石膜化学气相沉积装备

    高功率微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)是制备高品质金刚石膜的首选方法。针对高品质金刚石膜制备技术的需求,研究室突破了高功率MPCVD金刚石膜沉积装置的技术瓶颈,研制了多种2.45GHz频率/10kW功率的MPCVD金刚石膜沉积装置。其中一种新研制的高功率MPCVD金刚石膜沉积装置如下图所示。该装置采用了一种全新的设计方案,不仅可以在10kW的高功率下长期运行,更大大提高了装置的洁净度,可显著降低金刚石膜中含有的氮杂质和硅杂质污染,确保获得高品质的金刚石膜材料。目前,上述新型高功率MPCVD装置已投入运行,被用于高品质金刚石膜材料的制备研究工作。

3、高品质金刚石膜材料的制备技术研究

    利用新建成的2.45GHz频率的MPCVD金刚石膜沉积装置,研究室已系统开展了高品质金刚石膜材料制备技术的研究工作。下图是利用新研制的高功率MPCVD金刚石膜沉积装置制备的高品质金刚石膜材料以及金刚石膜的Raman光谱和荧光发射谱的测试结果。由图2我们看到,所制备的金刚石膜的特征Raman谱线半峰宽只有2.3cm-1,说明金刚石膜材料具有很高的品质;荧光发射谱的分析结果表明,利用新装置沉积的金刚石膜中,N杂质以及Si杂质的含量都有了大幅度的降低。显然,这将有助于满足各高技术领域中对高品质金刚石膜材料的需求。

4、高品质金刚石单晶材料的制备技术研究

    CVD单晶金刚石由于不存在晶界缺陷和杂质可控等特点,能够充分发挥金刚石优异的电学、力学性能实现金刚石一些列高技术应用,如宽带隙半导体、抗辐射探测器、高压物理实验(金刚石压砧)、超精密加工等。本研究室采用我国自主研制的高功率直流电弧等离子体喷射CVD系统,首先实现了利用该技术生长CVD金刚石大单晶,最大尺寸为7.5mm×7.5mm,厚度超过2mm,氮杂质含量小于2ppm。针对CVD金刚石单晶生长及应用正在开展的研究有:高质量、批量化CVD金刚石大单晶生长关键技术研究、CVD金刚石单晶后处理及改性、CVD金刚石单晶抗辐射探测器应用研究、CVD金刚石单晶高压物理应用、CVD金刚石超精密加工工具开发和装饰应用。该研究方向获得了国家自然科学基金、科技部国际合作、国防科工局军品配套等项目的资助。

5、金刚石基场效应管半导体器件研制

    随着通信技术向着极高频、超大容量方向发展,要求通讯卫星上的关键部件如信号接收端与发射端,在极高频率、超大功率下工作。此时传统的半导体材料如Si、GaAs等已难以胜任。金刚石材料由于具有宽带隙、高载流子迁移率、低介电常数、高的Johnson指标和Keyse指标等等,成为极高频超高功率领域应用的最佳材料选择,因此也被誉为第四代半导体。本研究室跟踪国际研究前沿热点,在对氢终结金刚石表面导电沟道的载流子输运特性以及表面导电机制的深入研究后,国内率先开发了基于氢终结金刚石表面P型导电沟道的场效应晶体管电子器件,并获得了国内领先的器件性能指标。作为第四代半导体,金刚石高的热导率结合耐高温、耐高压等优异性能使其能够满足超高频超大功率领域的应用,引导了电子器件新时代的到来。该方向得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目以及专用集成电路国家重点实验室基金项目的资助。

6、金刚石基声表面波电子器件研制

    金刚石在所有物质中具有最高的声传播速度,最高的杨氏模量,同时金刚石具有高的导热性和优良的耐热性,被公认为最有发展前途的新型大功率高频高性能声表面波器件用材料。研究室使用自主研发的直流电弧等离子喷射CVD在4英寸硅片上沉积20微米厚金刚石膜后,通过镀制ZnO薄膜和SiO2薄膜沉积制备了SiO2 / ZnO / Diamond / Si多层结构,在此基础上制作叉指电极并封装后形成声表面波器件,获得了2.63 GHz的中心频率、高达10520 m/s的声速和333 MHz的3 dB带宽,机电耦合系数为0.6%,插入损耗为34.43 dB。该器件经进一步性能优化后有望实现产品的批量生产。该项目前期得到863项目计划和中国博士后科学基金项目资助。

7、各向异性粘结稀土永磁材料的制备技术

    磁性材料的各向异性化是提高磁体磁性能的主要途径。磁体磁性能的提高将极大地促进电子器件的小型化、高效化和节能化,显著提升我国节能高效电机水平和国际市场竞争力,为节能减排和低碳经济作出重要贡献。为使我国各向异性粘结磁体尽快产业化,本研究室在国家“863”计划的支持下,开发了各向异性NdFeB磁粉及粘结磁体的产业化技术与装备,解决了各向异性NdFeB磁粉制备过程中工艺的稳定性问题,研制了国内首台具有自主知识产权的HDDR各向异性NdFeB磁粉的工业化生产设备,建成国内首条HDDR各向异性NdFeB磁粉生产线,极大地推动了我国各向异性粘结永磁产业化的发展。

8、全尾砂充填矿用低成本、高性能胶结材料的制备技术

    传统上,胶结充填矿山普遍采用水泥作为胶凝材料,成本高,全尾细砂充填强度低。本研究利用钢铁厂经高温煅烧后的工业水淬渣、石灰和复合激发剂等为原料,开发了新型的胶结材料,使得在相同灰砂比和浓度条件下,不论是早期强度或者是后期强度均达到普通水泥充填体的2-5倍,并且具有良好的浆体流动性、悬浮性、可泵性,充填工艺简单、与水泥相比,充填材料成本可节省40%左右,能很好地满足井下充填需要。本研究开发的新型胶结材料已在国有大型矿山开始投入应用。

【研究室承担科研項目】

  • 1、国家自然科学基金项目:氩等离子体弧处理金刚石自支撑膜强度提高的机制,80万, 2013-2016;
  • 2、国家自然科学基金项目:氢致金刚石表面载流子输运沟道形成与稳定机制研究,25万元,2015-2017;
  • 3、国家自然科学基金项目:气体循环直流旋转电弧等离子体喷射动态气相环境下生长金刚石大单晶研究,25万元,2012-2014;
  • 4、国际合作项目,406万,2010-2014;
  • 5、科技部国际合作:新型金刚石结构高能粒子探测器的合作研究,90万元,2014-2017;
  • 6、国家磁约束核聚变能发展研究专项的专项:兆瓦级长脉冲回旋管关键技术研究,50万,2013-2015;
  • 7、厂协项目:金刚石强化高性能耐磨石油钻头生产技术,97万元,2010-2015;
  • 8、厂协项目:微波等离子体CVD法高品质金刚石膜沉积技术研究,50万,2013-2014;
  • 9、厂协项目: 915MHz高功率微波等离子体法金刚石膜沉积技术研究,55万,2012-2014;
  • 10、厂协项目:高性能NdFeB永磁材料的制备技术,10万,2013-2016;
  • 11、厂协项目:烧结汝铁硼磁体的晶界扩散技术研究,20万,2013-2014;
  • 12、国防科工局军品配套项目,370万,2014-2017;及其他多项国防项目;
  • 13、教育部博士点基金项目:等离子体电弧处理金刚石自支撑膜强度提高的机制研究,12万,2012-2014;
  • 14、中国博士后科学基金项目:CVD金刚石表面高质量取向AlN薄膜沉积制备及界面分析,8万,2014-2016;
  • 15、中国博士后科学基金项目:氢致金刚石表面P型导电沟道形成与稳定机制研究,8万,2014-2016。

【研究室团队建設】

    碳基材料与功能研究室是一个积极、热情、团结的集体。王维有诗云,独在异乡为异客,每逢佳节倍思亲。独自在外地求学的我们,到了传统佳节自然平添几分思乡之情,然而实验室却给我们带来了不一样的节日温馨。每逢佳节,我们或是聚餐,或是出游,或是干脆在实验室打牌吃火锅,欢声笑语,别有一番滋味。

    一年一度的春秋游是最令人期待的了,昌黎黄金海岸我们一起戏水滑沙,凤凰岭我们一起登高远望,十渡我们烧烤游园,妙峰山我们勇攀高峰,一次次难忘的出游经历点缀着我们五彩斑斓的梯队生活。

    碳基材料与功能研究室是一个团结温馨的大家庭,希望每位同学都能在如此舒适的科研环境中成长成熟,为以后在各自岗位发挥更大能量打下坚实基础,在每位同学的生命中留下刻骨铭心的记忆。

 
 
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