【摘要】：單晶金剛石在超硬材料、光學(xué)器件、電子器件等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用,且其在裝飾領(lǐng)域也表現(xiàn)出極大的市場(chǎng)前景。目前制備高質(zhì)量的單晶金剛石主要依靠微波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)(microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD),該技術(shù)為單晶金剛石的生長(zhǎng)提供了理想的沉積環(huán)境,但生長(zhǎng)過(guò)程中主要的難點(diǎn)集中在缺陷的控制、速率的提高及批量化生產(chǎn)方面。針對(duì)上述難點(diǎn),本研究在實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)設(shè)計(jì)的2.45 GHz、10 kW新型多模諧振腔MPCVD裝置上開展了同質(zhì)外延單晶金剛石的相關(guān)研究,主要研究?jī)?nèi)容包括:一、研究了在高功率下甲烷濃度與沉積溫度對(duì)單晶金剛石外延生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明:增大甲烷濃度,單晶的表面形貌由梯田狀朝雜亂的層流狀變化,單晶金剛石質(zhì)量隨外延速率的上升而下降;提高沉積溫度,單晶的表面形貌由層狀生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍馉钌L(zhǎng),外延速率與單晶質(zhì)量均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。在甲烷濃度為10%,沉積溫度為900℃時(shí),外延生長(zhǎng)得到FWHM值為3.69 cm~(-1)的單晶金剛石。二、研究了氫氧等離子體刻蝕對(duì)CVD單晶金剛石外延生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明:對(duì)比純氫氣的刻蝕,氧等離子體的刻蝕作用更為明顯。延長(zhǎng)刻蝕時(shí)間,刻蝕坑的類型由初期平底型為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐约忮F型刻蝕坑為主。延長(zhǎng)刻蝕時(shí)間還會(huì)導(dǎo)致刻蝕坑密度和尺寸的增大,通過(guò)控制氫氧等離子體的刻蝕時(shí)間能夠減少CVD單晶籽晶表面的微缺陷,提高外延生長(zhǎng)單晶金剛石的質(zhì)量�？涛g時(shí)間控制在1 h外延生長(zhǎng)的單晶的結(jié)晶性較好。三、研究了在外延單晶金剛石過(guò)程中生長(zhǎng)缺陷出現(xiàn)的原因,并對(duì)外延單晶金剛石的沉積工藝進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果顯示:在單晶表面缺陷密度較高的地方應(yīng)力較大,容易影響單晶金剛石同質(zhì)外延的生長(zhǎng)模式,同時(shí)碳的前驅(qū)體易在此處匯聚、堆積和二次形核。通過(guò)采用先以0.5%的氧氣沉積1 h,再停止通入氧氣繼續(xù)外延生長(zhǎng)的兩步法,可以降低二次形核的驅(qū)動(dòng)力,減少外延過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷,提高單晶金剛石的沉積速率與質(zhì)量。四、在微波功率為5000 W,氣壓為15 kPa時(shí),獲得了直徑為100 mm穩(wěn)定的等離子體球。在該沉積環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)8片單晶金剛石同時(shí)生長(zhǎng),沉積速率最大為32μm/h,最大尺寸可達(dá)5×5×2.5 mm~3。獲得了批量化生產(chǎn)的基本條件。
【圖文】：

(a) (b)圖 1-1 （a）單晶金剛石點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；（b）單晶金剛石晶胞結(jié)構(gòu)晶金剛石在宏觀上存在著多種形態(tài)，包括八面體單晶、十、立方體單晶、聚形等，通常所說(shuō)的單晶金剛石一般為剛石[11]。表 1-1 單晶金剛石晶體內(nèi)雜質(zhì)含量分類剛石類型 氮（ppm） 硼（ppm） 顏色Ⅰa 2000 - 透明偏黃Ⅰb 102-103- 綠，棕，Ⅰb 1-100 - 黃Ⅱa ~1 - 無(wú)色透明Ⅱb ~1 ~100 藍(lán)晶金剛石一般可根據(jù)其所含有的微量元素種類與含量，

圖 1-2 CVD 單晶金剛石的反應(yīng)路徑外延生長(zhǎng)單晶金剛石的過(guò)程之中，，離子體中各種活性基團(tuán)的主要能量參與多種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，但主要2]：CHeCHHeeV *34.384HeHeeV 2*8.52H CH CH H e *43CHCHMCH26*3262 延生長(zhǎng)單晶金剛石的過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜論模型可以系統(tǒng)解釋各種條件下 CV23]。剛石沉積方法簡(jiǎn)介
【學(xué)位授予單位】：武漢工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O782

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