中國(guó)粉體網(wǎng)訊  金剛石作為一種獨(dú)特的材料，因其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如電子器件、光學(xué)元件和生物醫(yī)學(xué)等。然而，天然金剛石的稀有性和高成本限制了其在工業(yè)和科研領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們發(fā)展了多種人工合成金剛石的方法。主流的合成方法有高溫高壓(high pressure and high temperature，HPHT)法和化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD) 法。

目前，常用的CVD法合成單晶金剛石，主要包括微波等離子體CVD法(MPCVD)、熱絲CVD法火焰燃燒CVD法和直流弧光等離子CVD法等。

微波等離子體CVD(MPCVD)法合成金剛石過(guò)程

MPCVD法是一種化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，其基本原理是將含有金剛石前驅(qū)體的氣體引入反應(yīng)室，在較高溫度下使前驅(qū)體氣體分解，生成金剛石晶體。具體來(lái)說(shuō)，MPCVD法主要包括以下幾個(gè)步驟：

圖1 MPCVD法合成金剛石流程圖

1. 襯底準(zhǔn)備：選擇合適的襯底材料，如硅、鉬或鎢，并進(jìn)行表面處理，以提高金剛石生長(zhǎng)的附著力和質(zhì)量。

2. 氣體注入：將含有金剛石前驅(qū)體的氣體注入反應(yīng)室。常用的前驅(qū)體氣體包括甲烷、乙炔、氫氣等。

3. 微波激發(fā)：微波發(fā)生器產(chǎn)生微波能量，激發(fā)氣體分子，形成高濃度的等離子體。反應(yīng)溫度通常在800℃左右。

4. 壓力控制：通過(guò)調(diào)節(jié)壓力，使金剛石晶體在適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)。通常采用較高的壓力，以利于金剛石晶體的生長(zhǎng)。

5. 晶體生長(zhǎng)：在適宜的溫度和壓力條件下，金剛石晶體逐漸生長(zhǎng)，形成大顆粒金剛石。

6. 收集產(chǎn)物：將生長(zhǎng)好的金剛石晶體從反應(yīng)室中冷卻后取出，進(jìn)行后續(xù)處理和應(yīng)用。

為什么選擇MPCVD法？

當(dāng)前成熟的 CVD 金剛石膜的生長(zhǎng)方法主要有熱絲CVD 法、微波等離子體 CVD法、直流等離子體噴射CVD法等。熱絲 CVD 法雖然設(shè)備成本低，但燈絲容易斷、基本上生長(zhǎng)一次需要換一次燈絲。而且燈絲一般為鎢絲，鎢高溫易揮發(fā)污染樣品，因此樣品質(zhì)量不高，大多數(shù)只能做工具級(jí)金剛石薄膜。直流等離子體噴射 CVD 法具有氣體溫度高、能量密度大、離化率高的特點(diǎn)，但是其耗電量大，大幅增加了生產(chǎn)成本。微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）法具有放電區(qū)集中、無(wú)污染、工作穩(wěn)定、易于精確控制、沉積速率快、成膜質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

圖2不同幾何形狀的 MPCVD 裝置。（a）石英管式 MPCVD 裝置，（b）圓柱金屬諧振腔式MPCVD 裝置，（c）多模非圓柱諧振腔式 MPCVD 裝置，（d）橢球諧振腔式 MPCVD 裝置。

圖2 展示了不同幾何形狀的 MPCVD 裝置，代表了國(guó)內(nèi)外微波等離子CVD 技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)使用的微波頻段以2.45GHz和915MHz為主，對(duì) 2.45GHz 的裝置而言，石英管式裝置的微波功率較低，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用；石英鐘式裝置和圓柱金屬諧振腔裝置的功率水平適中；多模非圓柱諧振腔式裝置和橢球諧振腔式裝置的微波輸入功率較高，一般超過(guò)5kW。對(duì)于頻率較低（915MHz）的裝置而言，其波長(zhǎng)更長(zhǎng)，激勵(lì)產(chǎn)生的等離子體尺寸更大，可以得到大面積的金剛石膜，但相應(yīng)的設(shè)備較大，加工相對(duì)困難。

MPCVD法制備人造金剛石的應(yīng)用前景

1. 工業(yè)領(lǐng)域

高品質(zhì)級(jí)大顆粒金剛石在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，在磨削、切割、拋光等工藝中，高品質(zhì)金剛石工具可以提高加工效率、降低成本、延長(zhǎng)使用壽命。此外，金剛石顆粒還可用于制備高速鋼、硬質(zhì)合金等復(fù)合材料，提高材料的性能。

2. 珠寶首飾領(lǐng)域

高品質(zhì)的大顆粒金剛石在珠寶首飾領(lǐng)域具有極高的價(jià)值。金剛石的顏色、透明度、純凈度等因素決定了其觀賞價(jià)值和收藏價(jià)值。MPCVD法制備的金剛石具有優(yōu)異的物理性能和美觀的外觀，可用于制作高端珠寶首飾。

3. 科學(xué)研究領(lǐng)域

金剛石具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，如高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、高硬度等，使其在科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。MPCVD法制備的直徑4英寸、厚度2毫米的金剛石微波材料可用于為“人造太陽(yáng)”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置傳輸微波能量。

4. 半導(dǎo)體領(lǐng)域

金剛石具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)性，可用于制備半導(dǎo)體器件。MPCVD法制備的金剛石晶體具有較高的晶體完整性，有利于提高半導(dǎo)體器件的性能。

參考來(lái)源：

河北日?qǐng)?bào)，因地制宜發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力丨“河北造”金剛石助“人造太陽(yáng)”點(diǎn)火

權(quán)樂(lè)，CVD 金剛石膜研究進(jìn)展

許坤等，MPCVD 法生長(zhǎng)曲面多晶金剛石薄膜研究

產(chǎn)思義等，2 英寸 MPCVD 光學(xué)級(jí)均勻金剛石膜的制備研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）

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