金刚石薄膜的制备与应用

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出版者:第1版 (2004年3月1日)
作者:张阳
出品人:
页数:253
译者:
出版时间:2004-3
价格:28.0
装帧:精装
isbn号码:9787502552305
丛书系列:
图书标签:
  • 金刚石薄膜
  • CVD金刚石
  • 薄膜技术
  • 材料科学
  • 表面工程
  • 纳米材料
  • 硬质涂层
  • 半导体材料
  • 光学材料
  • 应用研究
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具体描述

具有优异特性的金刚石薄膜是材料界的研究热点之一,在高新科技应用领域具有重要作用。本书较全面、系统地介绍了当前国内外有关金刚石薄膜的制备方法和其在高新技术方面的应用。主要内容包括:金刚石薄膜的微观结构;力学、热学、光学、电学特性、传感器、表面声波滤波器、涂层刀具等方面的应用。本书的科学性、系统性强,概念清楚,叙述简明扼要,内容上反映了当前学科最前沿水平。

本书可作为相关专业本科生及研究生的教学参考书,对于从事电子功能薄膜材料和新型刀具研制、生产和使用的专业人员具有一定的参考价值。

《金刚石薄膜的制备与应用》 本书聚焦于现代材料科学领域的前沿课题——金刚石薄膜的制备技术与多元化应用。金刚石,以其无与伦比的硬度、优异的热学、电学和光学性能,一直是人类追求的极致材料。然而,将这种珍贵的材料以薄膜形式精确、高效地沉积在各种基底上,并充分发挥其独特优势,是材料工程师和科学家们不懈探索的挑战。本书将带领读者深入理解金刚石薄膜的科学基础,系统梳理当前主流的制备方法,并展望其在科技创新中的广阔前景。 第一章 导论:金刚石薄膜的魅力与价值 本章首先回顾金刚石作为天然材料的卓越性能,引出其作为先进功能材料的巨大潜力。我们将探讨金刚石薄膜与块体金刚石在性能上的异同,以及薄膜化带来的独特优势,例如优异的表面特性、可控的厚度和结构,以及在复杂器件中集成的可能性。同时,本章还将概述金刚石薄膜在各个领域引起广泛关注的原因,为后续章节奠定基础。 第二章 金刚石薄膜的生长机制与微观结构 深入理解金刚石薄膜的生长过程是掌握其制备技术与性能调控的关键。本章将详细阐述金刚石薄膜的成核与生长机理,分析影响薄膜质量的关键因素,包括碳源、生长气氛、基底温度、衬底制备等。我们将探讨不同生长模式下形成的微观结构,如多晶、类金刚石、单晶金刚石薄膜,并分析这些结构与其宏观性能的关联。此外,本章还将介绍表征金刚石薄膜微观结构的常用技术,如扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等。 第三章 主流制备技术详解 本章是本书的核心内容之一,将系统介绍当前主流的金刚石薄膜制备技术。 化学气相沉积(CVD)技术: CVD是目前制备金刚石薄膜最成熟、最常用的技术。我们将详细介绍不同类型的CVD方法,包括: 微波等离子体化学气相沉积(MPCVD): 阐述其工作原理、工艺参数控制、设备构成,以及MPCVD在生长高质量多晶、类金刚石及单晶金刚石薄膜方面的优势。 热丝化学气相沉积(HFCVD): 介绍其独特的热丝激发机制,工艺特点,以及在特定应用中的适用性。 直流辉光放电化学气相沉积(DC-GD-CVD): 探讨其原理、优缺点,以及与其他CVD方法的比较。 射频等离子体化学气相沉积(RFCVD): 分析其在等离子体产生方式上的特点,以及对薄膜质量的影响。 物理气相沉积(PVD)技术: 虽然CVD是主流,但PVD技术在某些特定情况下也显示出其价值。我们将介绍: 溅射技术: 讨论其原理、溅射源类型(如磁控溅射),以及在制备薄膜时的优势和局限性。 蒸发技术: 简要介绍蒸发法在金刚石薄膜制备中的应用,并分析其与CVD技术的区别。 其他新兴制备技术: 简要介绍一些正在发展中的新技术,如脉冲激光沉积(PLD)、离子束辅助沉积等,并展望其未来发展潜力。 第四章 金刚石薄膜的性能调控与表征 本章将聚焦于如何通过控制制备参数来调控金刚石薄膜的各项性能,并介绍相应的表征手段。 力学性能: 硬度、耐磨性、杨氏模量等。我们将探讨应力、晶粒尺寸、杂质对力学性能的影响,以及相关的测试方法(如纳米压痕)。 热学性能: 高导热性是金刚石薄膜最突出的优点之一。我们将分析影响导热性的因素,如晶格缺陷、晶界,并介绍热导率的测量方法。 电学性能: 导电性、绝缘性、介电性能等。本章将重点介绍掺杂技术(如硼掺杂)如何实现金刚石薄膜的导电性,以及其在电子器件中的应用基础。 光学性能: 透光性、折射率、非线性光学效应等。我们将讨论薄膜厚度、表面粗糙度对光学性能的影响,以及其在光学元件中的应用。 化学性能: 惰性、耐腐蚀性。 表面性能: 表面粗糙度、表面能、氢终止或氧终止表面。 表征技术: 除了第二章提到的微观结构表征,本章还将补充介绍拉曼光谱(用于辨别金刚石相)、红外光谱(分析化学键)、原子力显微镜(AFM,用于表面形貌和高度测量)、X射线光电子能谱(XPS,用于表面化学成分分析)等。 第五章 金刚石薄膜的多元化应用 金刚石薄膜凭借其优异的综合性能,在众多高科技领域展现出巨大的应用价值。本章将详细阐述其在以下关键领域的应用: 电子和电力器件: 高功率、高频率电子器件: 金刚石薄膜的高导热性和电子迁移率使其成为制造场效应晶体管(FETs)、二极管等器件的理想材料,可实现更高功率密度和工作频率,适用于雷达、通信等领域。 高温、高压电子器件: 其优异的热稳定性和击穿电压使其适用于极端环境下的电子设备。 紫外探测器: 金刚石薄膜宽带隙的特性使其成为高效紫外探测器的理想选择。 传感器: 基于金刚石薄膜的化学传感器、生物传感器等。 光学应用: 光学窗口和涂层: 由于其高硬度、耐磨性和光学透明性,可用于制造激光器窗口、红外探测器窗口、防划伤涂层等。 非线性光学器件: 在特定条件下,金刚石薄膜可展现出优异的非线性光学效应,用于频率转换等应用。 涂层与表面改性: 耐磨涂层: 在刀具、模具、轴承等工件表面沉积金刚石薄膜,可显著提高其耐磨性和使用寿命。 耐腐蚀涂层: 在化工设备、医疗器械等领域提供优异的防腐蚀保护。 生物相容性涂层: 在医疗植入物等领域,优化表面性能,提高生物相容性。 消光涂层: 在光学设备中用于减少反射,提高光利用效率。 声学应用: 超声换能器: 金刚石薄膜的声学特性使其可用于制造高性能的超声换能器。 其他前沿应用: 量子计算: 基于金刚石中氮-空位(NV)色心,金刚石薄膜为构建量子比特提供了可能。 热管理: 作为高效的散热材料,用于电子器件的散热。 第六章 挑战与未来展望 本章将总结当前金刚石薄膜制备与应用面临的主要挑战,例如成本控制、大面积均匀生长、复杂基底上的高质量沉积、特定性能的精确调控等。同时,我们将展望金刚石薄膜技术的未来发展趋势,包括新型制备方法的探索、智能化生长工艺、与其他先进材料的复合应用、以及在新兴技术领域的突破性应用等。 本书力求内容详实,逻辑清晰,既包含基础的科学原理,又紧密结合实际应用,旨在为材料科学、物理学、化学、工程学等相关领域的科研人员、工程师以及对金刚石薄膜技术感兴趣的读者提供一本权威、实用的参考书籍。

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我发现这本书在撰写结构上存在一种明显的“头重脚轻”的倾向,这严重影响了阅读的连贯性和实用性。前三章花了大量篇幅来介绍金刚石晶体学的基本对称性、能带结构和宏观物理性质,这些内容在任何一本普通无机材料学教材中都能找到,可以说占据了全书近百分之四十的篇幅,重复性极高。而真正具有“金刚石薄膜”特色的内容,比如在特定工艺下如何精确控制缺陷的种类和浓度(如氮空位、空位簇),以及这些缺陷如何决定薄膜的电学性能(例如半导体掺杂的效率),却被压缩到最后几章,内容单薄,缺乏深入的图谱分析。更令人不解的是,书中对“应用”的讨论,比如作为大功率电子器件散热基底的潜力分析,其核心难点——如何有效管理薄膜内部的界面热阻(Kapitza Resistance),书中仅仅用一句话带过,没有提供任何热导率的计算模型或实验验证数据。这种详略失衡的叙事方式,使得读者在建立起扎实的理论基础后,却发现无法获得足够的技术工具去解决实际工程问题,读完后留下的更多是基础概念的复习,而非解决复杂问题的能力提升。

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这本《金刚石薄膜的制备与应用》的书籍,我原本是抱着极大的期待去翻阅的,因为它恰好触及了我正在研究的一个前沿领域——纳米材料的精确生长技术。然而,在阅读过程中,我发现它在理论深度和实验细节的平衡上处理得有些欠缺。首先,关于薄膜沉积过程中关键参数的耦合效应,书中虽然提到了CVD(化学气相沉积)和PVD(物理气相沉积)的不同路径,但对于等离子体激化机制在亚纳米级形貌控制上的微观解释,显得过于笼统和概括。例如,在探讨氢气在类金刚石薄膜生长中的钝化作用时,期望能看到更详尽的反应动力学模型,最好能结合先进的密度泛函理论计算结果进行佐证。书中提供的图表大多是宏观的力学性能和光学透过率曲线,对于理解薄膜内部的晶格缺陷分布和应力弛豫机制,帮助有限。我尤其希望看到对于不同衬底材料(如SiC、蓝宝石)界面结合能的比较分析,这直接影响到薄膜的实际应用寿命和可靠性。总的来说,它更像是一本面向初级工程师的综述性手册,而不是一本能推动学科深入发展的深度专著,对于需要进行高精度器件研发的专业人士来说,深度略显不足,很多基础性的实验操作流程介绍得过多,而高阶的故障排除和优化策略则一笔带过。

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说实话,我从这本书里学到的,更多的是如何系统地组织一个材料制备项目的基本流程,而不是什么突破性的科学见解。它在描述如何搭建一套标准的PECVD反应腔体时,事无巨细地列出了真空泵的选择标准、气体流量的控制精度要求以及温度梯度的监控方法,这对于一个刚刚进入实验室的新手来说,无疑是一份极佳的“新手村”指南。然而,一旦进入到优化阶段,也就是我们真正需要对抗“工艺窗口”的窄小和参数敏感性时,书中的内容就开始显得无力了。比如,它只是简单地指出“当甲烷分压过高时,易形成类金刚石非晶碳膜”,却未能提供一个基于相图(Phase Diagram)的清晰指导,告诉我们在给定温度和功率下,甲烷/氢气比例的微小波动如何精确地导致拓扑结构从$sp^3$向$sp^2$的转变。这种“知道是什么,但不知道为什么会这样,更不知道如何精确控制”的描述方式,让我感到作者似乎更偏爱于记录“成功的方法”而非揭示“失败的原理”。因此,这本书更像是一本烹饪食谱,告诉你火候要多大,食材要放多少,但从未解释背后的化学反应原理,对于追求精益求精的研发人员来说,这远远不够。

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我买这本书纯粹是出于对材料科学跨学科应用的好奇心,特别是对那些涉及极端环境耐受性的新材料感兴趣。这本书的排版和插图质量确实令人称赞,图文并茂的方式让很多复杂的晶体结构图看起来清晰直观。但真正让我感到遗憾的是,它在“应用”部分的论述,几乎完全集中在了传统的摩擦学和光学涂层上,对于更具颠覆性的领域,比如生物医学植入物表面的生物相容性改性,或者在柔性电子学中作为高介电常数层的潜力,探讨得非常肤浅。我花了很大篇幅去寻找关于薄膜表面功能化处理,例如引入特定官能团以增强与生物组织的结合力,或者使用超快激光处理来调节表面粗糙度的内容,结果发现这些内容基本不存在。这本书似乎在时间线上停滞在了上世纪末的材料研究范式中,完全没有跟上近年来快速发展的表面工程和生物材料科学的前沿交叉点。如果你只是想了解金刚石膜的基本概念和早期工业应用,它或许合格,但如果你的兴趣点在于如何利用这种材料解决21世纪的工程难题,那么这本书提供的视角会让你感到受限和意犹未尽。

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这本书的参考文献列表实在让人费解。我试图通过追溯其理论基础来加深理解,结果发现,近二十年来的关键性文献引用非常稀少,许多关于量子隧穿效应在薄膜成核阶段的影响、以及利用先进原位表征技术(如高能X射线衍射或同步加速器光电子能谱)对生长前沿的实时监测等革命性成果,在书中完全找不到踪影。这使得整本书的论述停留在了一种比较“传统”的、基于经验观察的阶段。举个例子,书中用了相当大的篇幅来讨论如何通过增加衬底加热来提高晶粒尺寸,这是一个经典的思路。但是,当前的研究热点,例如通过引入特定的纳米颗粒作为异质成核中心来大幅降低生长温度并提高成核密度,从而在不损伤柔性衬底的前提下获得高质量薄膜的技术,这本书里却只字未提。阅读体验下来,我感觉自己像是在阅读一本十年前的会议摘要汇编,内容有效,但完全缺乏对现有知识体系进行批判性更新和前瞻性引导的勇气和能力。对于希望站在材料科学前沿的读者,这本书的参考价值大打折扣。

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