CVD单晶金刚石的研究进展

化学气相沉积(CVD)单晶金刚石是近年来金刚石领域研究焦点之一,在众多合成方法中,微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)是诸多学者公认的稳定生长均匀高质量单晶金刚石最有前途的技术。近年来,MPCVD合成单晶金刚石在质量、速率、尺寸以及应用上取得了重大的进展,但是目前仍然有一个问题需要解决,即如何在保证质量的前提下大幅度提高单晶金刚石的生长速率。本文对CVD单晶金刚石过程中衬底的选择、表面加工与处理、基座的结构和沉积参数的选择进行了详细评述,并简要介绍了CVD单晶金刚石国内外研发成果。     

国外单晶金刚石火焰法外延生长研究进展

单晶金刚石火焰法外延生长研究对发展单晶金刚石产品和火焰法合成技术,进而保证单晶金刚石各种优异特性在尽可能广泛的范围内得到充分利用,均有重要意义。本文就国外外延生长试验工作、结果测试分析及同质外延生长机理诸方面,论述了自金刚石火焰合成方法发明四年来单晶金刚石火焰法外延生长研究的进展。     

CVD金刚石大单晶外延生长及高技术应用前景

CVD（化学气相沉积）金刚石大单晶生长是CVD金刚石膜研究领域在过去十余年中所取得的重大技术进展之一,在一系列高新技术领域有极其重要的应用前景。针对CVD金刚石大单晶的制备和应用进行了综述。首先对CVD金刚石大单晶生长技术进行了概括性的描述,然后对CVD金刚石单晶制备方法进行详细介绍和评述。并对CVD大单晶在高性能辐射（粒子）探测器、金刚石高温半导体器件、高压物理试验、超精密加工以及在首饰钻戒等方面的应用现状与前景进行了介绍与评述。最后针对CVD高仿钻戒与天然钻戒的鉴别进行了评述,并提出了新的建议。     

优质六面体金刚石大单晶的合成及应用

利用高温高压温度梯度法,在合理调整组装方式、生产工艺的基础上,分别采用片状和环状碳源对合成优质六面体金刚石大单晶的尺寸、重量和生长速度进行了对比和分析。采用环状碳源33 h内合成晶体的尺寸可高达5.4 mm,生长速度高达12.6mg/h,重量高达2.08 carat,如此快的生长速度足可以满足六面体金刚石大单晶的产业化生产,进一步推动了国内人工合成金刚石的进程和发展。同时,六面体金刚石大单晶可作为CVD法合成单晶金刚石的基板和单晶金刚石刀具的首选材料。     

CVD金刚石拉丝模花丝成因研究

通过分析CVD金刚石拉丝模和单晶金刚石拉丝模的显微照片，发现CVD金刚石的晶界和内部缺陷是造成使用CVD金刚石拉丝模比使用单晶金刚石拉丝模“花丝”现象更严重的原因。     

CVD金刚石应用的方方面面

静压法合成的金刚石单晶由于尺寸的限制而难以在热学、光学和电子学等领域发挥作用。直到金刚石膜的出现,才突破了这种尺寸上的限制,为金刚石在这些领域中的应用提供了可能,因而受到人们的极大关注。材料科学家把CVD金刚石膜称之为21世纪材料。并断言,CVD金刚石膜将成为金刚石材料未来发展的主流,不仅可以带来巨大的经济效益,而更重要的是,CVD金刚石膜可以把金刚石材料全方位特性应用发挥到极致。     

大气下火焰法同质外延金刚石单晶膜

气相合成金刚石膜技术的问世，使制备金刚石电子有源器件成为可能。本文将静高压法合成的大颗粒优质单晶镶嵌在纯铜板中作为基板。以乙炔和氧气为反应气体，将氧气与乙炔的体积比率R(R=O2：2CH2)控制在0．85～1．0区间。采用大气下火焰法进行了金刚石单晶膜的同质外延实验。并通过拉曼散射，扫描电镜、反射高能电子衍射对实验结果进行了检测分析，在(100)面同质外延的金刚石单晶膜上观察到了螺旋生长的现象。     

MPCVD法合成大单晶金刚石的研究进展

单晶金刚石具有诸多多晶金刚石所无法替代的优良性能,是新世纪高端技术领域发展所需的重要材料。随着技术的不断改进,MPCVD法合成单晶金刚石的生长速率、质量和尺寸都有了很大的提高。目前,应用最新的MPCVD技术合成的单晶金刚石,其最高生长速率达到200μm/h,合成尺寸达到英寸级,为单晶金刚石在超精密加工、光学元器件、半导体、探测器等高技术领域的应用提供了有力的支撑。本文主要综述了进入二十一世纪以来,MPCVD单晶金刚石的研究进展,并对其应用作简单的介绍。     

单晶金刚石制备研究进展

相对于多晶金刚石,单晶金刚石具有质量好和纯度高等优点,并且不存在多晶金刚石中的不规则晶界,因此在半导体和机械等行业具有广泛的应用。本文简要介绍了单晶金刚石的制备方法和主要应用领域,并对国内外采用高温高压法和化学气相沉积法制备单晶金刚石的研究成果和最新研究进展进行了综合评述。与高温高压法相比,化学气相沉积法可以高速合成大面积、高质量的单晶金刚石,因此是人工合成单晶金刚石的研究热点。单晶金刚石主要用作切削刀具、光学材料、半导体及电子器件和首饰等。随着大单晶金刚石合成技术的进一步发展,金刚石的应用范围和市场将会更加宽广。     

金刚石薄膜外延生长温度与外延膜品质的研究

选用国产毫米级人造单晶金刚石,用微波增强的化学气相沉积方法,在氢气、丙酮体系中,实现了单晶金刚石的气相外延生长。通过扫描电镜等分析,初步实现了对外延单晶金刚石薄膜的品质鉴定。实验还发现,外延生长温度与金刚石晶面的原子密度关系密切。     

Natural and synthetic polycrystalline diamond, with emphasis on ballas ‘Ballas’ — Radially grown, polycrystalline diamonds?

The successful synthesis of diamond by chemical vapor deposition (CVD) at low pressures has generated renewed interest in polycrystalline diamond. It is now possible to deposit on relatively large surfaces a metal-free ‘polycrystalline diamond ceramic’, which is nearly equivalent in optical, thermal and mechanical properties to single crystal diamond. Some microstructures found in CVD diamond are clearly related to those seen in natural ballas and the possibility of making an even better ‘polycrystalline CVD diamond’ and exploiting its capabilities is considered here.     

触媒黏性对生长优质克拉级Ⅰb型金刚石单晶的影响

在高温高压条件下,进行了优质克拉级Ⅰb型金刚石单晶的合成研究.重点考察了触媒黏性对金 刚石大单晶生长的影响.结果表明:选择低黏性Ni -a触媒,短时间可以生长出优质金刚石单晶.当生长时间超过25 h,合成的晶体为“群晶”;而高黏性Ni -b触媒可以用来长时间生长优质克拉级金刚石单晶.通过扫描电镜分析可知,低黏性触媒合...     

MPCVD中双基片台结构对单晶金刚石生长的影响

在波导耦合的微波等离子体化学气相沉积制备金刚石的装置中引入双基片台结构,用光谱仪测量等离子体的发射光谱,用Raman光谱仪和SEM分析生长的单晶金刚石的Raman位移和表面形貌,对比研究双基片台结构对等离子体发射光谱和单晶金刚石生长的影响。研究表明:双基片台结构可以提高等离子体的功率密度。在相同的沉积参数下,双基片台结构有利于提高等离子体发射光谱的强度,从而显著提高单晶金刚石的生长速率,最快可达到24 μm/h。生长的单晶金刚石具有金刚石Raman特征峰的偏移度更小,Raman特征峰的半高宽更窄,非金刚石相含量更少的特点。      

八面体金刚石单晶的制备与性能

通过优化触媒配方, 添加新型催化剂, 设计合成工艺, 改进保温腔体, 开发出具有特定{111}面的八面体金刚石单晶, 并实现对其粒度及晶型的调控。扫描电子显微镜表征结果显示金刚石晶型为八面体，晶体具有规则的{111}晶面。拉曼光谱结果证明金刚石晶体中碳原子的杂化类型为sp3杂化，且八面体金刚石具有更高的纯净度。磁化率测试结果显示该八面体金刚石磁化率低于1.00×10-5 SI。使用该类金刚石制成的修整工具比使用普通金刚石的具有更好的锋利度和耐磨性。      

热丝化学气相沉积法制备优质微米亚微米级单晶金刚石的研究

利用热丝化学气相沉积法（HFCVD）,在硅片衬底上进行微米级（〉1μm）及亚微米级（〈1μm）单晶金刚石的沉积研究。微米级金刚石是以高温高压法（HPHT）制备的1μm金刚石颗粒为籽晶,通过甩胶布晶的方法,在衬底上均匀分布晶种,并通过合理控制沉积工艺参数,在衬底上形成晶形完好的单晶金刚石。在沉积2 h后,可消除原HPHT籽晶缺陷,沉积6 h后,生长出晶形良好的立方八面体金刚石颗粒（约4μm）;对于亚微米级单晶金刚石,是直接在衬底上进行合成,通过调控沉积参数（如衬底预处理方法,偏流大小,沉积时间）对单晶金刚石的分布密度和颗粒度进行控制,经过2 h的沉积,最终获得了0.7μm的二十面体单晶金刚石。     

FeNi-Si-C体系金刚石的成核特性

本文利用掺硅FeNi粉末触媒，在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验，研究了高温高压条件下，Fe—Ni—Si—C体系合成金刚石单晶的成核特性。结果表明，由于掺Si量的不同，合成金刚石的最低生长条件（压力和温度）并没有太大的改变；但随着触媒中掺Sj量的增加，其成核量也随之增加；通过光学成像显微镜观测发现，合成出的金刚石晶体同FeNi—C体系合成的晶体的颜色和形貌具有较大的区别，出现了“两极分化”现象，主要表现为部分晶体质量好，而部分晶体则质量很差（晶体呈浅黑色，晶形不完整等），且随触媒中掺甄量的增加，质量差的晶体比率增高。对不同合成条件的棒料进行X—ray检测发现，在金刚石合成条件下有FeSi和Fe，si的生成，台阶压力时间的长短直接影响FeSi、Fe3si的粒度。我们推测，难熔化合物FeSi和Fe3si参与成核，导致金刚石成核量增加，而这种金刚石的“异形核”存在，会导致晶形不够完整和包裹体的产生。