高温高压下金刚石大单晶研究进展

金刚石具有一系列优于其他材料的极限特性,应用领域十分广泛.金刚石大单晶更能充分发挥其功能特性,从而成为国内外研究的热点.为此,本文在介绍金刚石大单晶高温高压合成原理及工艺技术的基础上,重点综述了四种类型的金刚石大单晶以及掺杂金刚石大单晶的研究现状和研究重点. Ⅰa型金刚石大单晶可由Ⅰb型金刚石通过高温高压退火处理得到,其中氮的转变机制及效率研究十分重要;对Ⅰb型金刚石大单晶的表面分析表征、晶体缺陷控制、再结晶石墨析出、多晶种法批量化生产方面进行了综述;对Ⅱa型金刚石大单晶中除氮剂和触媒的选择、微晶石墨析出与抑制方面的研究进行了介绍;研究了Ⅱb型金刚石中硼元素的扇区存在及其对合成金刚石生长特性的影响;掺杂金刚石大单晶主要从B, N, S, P等不同掺杂元素的不同掺杂源或与硼等协同掺杂的研究状况进行了介绍.并提出金刚石大单晶需要在Ⅰb及Ⅱa型的批量化、Ⅱb型的超导特性、掺杂n型半导体方面加强研究.     

Ib型金刚石大单晶的限形生长

金刚石的限形生长有利于其后续加工.对于磨料级金刚石限形生长的研究已经比较透彻,但金刚石大单晶的限形生长尚缺乏全面系统的研究.本文以Fe Ni(64wt%:36wt%)合金为触媒,利用高温高压下的温度梯度法在5.6 GPa时对不同温度下分别沿(100)面和(111)面生长的Ib型金刚石大单晶的晶形进行了研究.研究表明:随着温度的升高,沿(100)晶面生长的金刚石大单晶的晶形分别为板状、塔状直至尖塔状,而沿(111)面生长的金刚石大单晶的晶形则分别为塔状和板状;分析了不同温度下分别沿(100)面和(111)面生长金刚石大单晶不同晶形高径比的变化情况.利用不同压力和温度下的金刚石大单晶合成实验绘制了沿(100)和(111)面生长金刚石大单晶的晶形在V形生长区域内的分布示意图,表明沿(111)面生长的金刚石大单晶V形区温度下限明显比以(100)面生长的高,而沿这两面生长金刚石大单晶的V形区温度上限差别并不明显.对不同生长面V形区温度上下限的差别进行了解释,据此实现了Ib型金刚石大单晶的限形生长.     

金刚石单晶生长的声发射实时检测初探

采用声发射检测技术,对高温高压下人造金刚石单晶的生长过程进行了检测和分析。利用由PCI-8型声发射仪和LMD-800型铰链式六面顶压机组成的声发射检测系统,检测了金刚石单晶的生长过程。将金刚石单晶生长和不生长过程中检测到的声发射信号进行对比和频谱分析,结果表明:声发射信号与金刚石单晶生长过程存在对应关系;金刚石单晶生长对应的声发射信号是一种低频信号,可以利用声发射信号的变化规律研究金刚石单晶在高温高压条件下的原位反应机理。     

硼元素对人造金刚石单晶氧化速度的影响

 本文用KNO₃溶液氧化法对人造金刚石大单晶切片进行氧化实验，用两光束干涉计测量了单晶（含硼和不含硼）(110)截平面上各晶面成长区沿(110)面法线方向的相对氧化深度，计算了其相对氧化速度，并定性的与硼元素在这些区域的浓度做了对应。     

单晶金刚石侧向扩大生长中基团分布的调控

采用微波等离子体化学气相沉积法,在半开放式样品台上通过调整种晶在样品台中的凸出高度(Δh)实现了对微波等离子体中基团分布的调控,并进行了单晶金刚石的侧向外延扩大生长研究.将发射光谱与金刚石样品的傅里叶变换红外光谱、Raman光谱、白光干涉测试结果及光学形貌表征结果结合起来,分析了种晶在样品台中的凸出高度对侧向外延生长单...     

高温高压下金刚石单晶生长过程的声发射动态特征

采用声发射技术对高温高压下人造金刚石单晶的生长过程进行了动态检测。结合合成压块的断口形貌,对金刚石单晶生长过程对应的主要声发射参数进行了分析。结果表明,声发射信号的能量计数、振铃计数、幅度和上升时间等特征参数能客观反映金刚石单晶在高温高压下的动态生长规律,为研究金刚石单晶的生长机制提供了重要的实验依据。     

触媒组分对高温高压金刚石大单晶生长及裂纹缺陷的影响

本文利用六面顶压机,在5.6 GPa, 1250—1450℃的高压高温条件下,分别选用FeNiCo和NiMnCo触媒合金开展了金刚石大单晶的生长实验,系统地考察了触媒组分对金刚石单晶裂纹缺陷的影响.首先,通过对两种组分触媒晶体生长实验对比发现,金刚石大单晶裂纹缺陷出现的概率与触媒组分相关联.同NiMnCo触媒相比, FeNiCo触媒生长的金刚石单晶更容易出现生长裂纹.我们认为,这与FeNiCo触媒黏度高、流动性差、碳素输运能力差、生长中晶体比表面积大,进而导致其对生长条件稳定性的要求较高有关.其次,两种触媒极限增重速度和生长时间的关系曲线表明,相同生长时间条件下, NiMnCo触媒生长金刚石单晶的极限增重速度相对较大.再次,扫描电子显微镜测试结果表明,裂纹缺陷的出现与否同晶体表面平整度的高低无必然联系,表面平整度高的金刚石单晶内部也可能存在裂纹缺陷.最后,经对金刚石单晶傅里叶微区红外测试结果进行分析,得出了氮杂质含量的高低与金刚石单晶裂纹缺陷的出现与否无内在关联性的研究结论.     

单晶金刚石边缘表面倾斜角度对同质外延生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,对单晶金刚石(100)晶面边缘进行精细切割抛光处理,形成偏离(100)晶面不同角度的倾斜面,在CH_4/H_2反应气体中进行同质外延生长,研究单晶金刚石边缘不同角度倾斜面对边缘金刚石外延生长的影响.实验结果表明,边缘倾斜面角度对边缘的单晶外延生长质量有影响,随着单晶金刚石边缘倾斜面角度的增大,边缘多晶金刚石数量先减少后增多,在倾斜角3.8°时边缘呈现完整的单晶外延生长特性.分析认为,边缘不同角度的倾斜面会改变周围电场强度和等离子体密度,导致到达衬底表面的含碳前驱物发生改变,倾斜面台阶表面的含碳前驱物浓度低于能形成层状台阶生长的临界浓度是减弱单晶金刚石生长过程中边缘效应的主要原因.     

等离子体预处理提高金刚石薄膜／基体间结合力

采用等离子体预处理技术和优化的金刚石薄膜沉积工艺，以期为金刚石薄膜涂层工具的制备开发一种新的实用易行的表面预处理方法。等离子体预处理和金刚石薄膜沉积都在自行研制的热丝CVD系统中进行的。等离子体预处理是在脱炭气氛中进行，基体温度控制在硬质合金的再结晶温度范围内，处理总时间为2h。     

单晶金刚石微杯形谐振子的激光刻蚀制造方法

基于激光刻蚀技术,提出了一种新型单晶金刚石微杯形谐振子的三维制造方法。由于高弹性模量、低热弹性阻尼以及较大的声波传递速度等优异的性质,单晶金刚石是一种理想的谐振子加工材料,但是金刚石硬度大且化学性能稳定,难以采用传统的加工方法成形加工。激光刻蚀因精度高,加工结构对称性好以及破损率低等特点,是一种较好的单晶金刚石加工方法。采用紫外激光加工机,研究了不同激光参数对单晶金刚石刻蚀质量的影响,通过合理设计微杯形谐振结构,规划激光刻蚀加工的轨迹,采用优化后激光刻蚀参数,实现了结构对称性较好的微杯形谐振子的加工,有望应用于高性能微杯形谐振陀螺。     

单晶金刚石微杯形谐振子的激光刻蚀制造方法

基于激光刻蚀技术,提出了一种新型单晶金刚石微杯形谐振子的三维制造方法。由于高弹性模量、低热弹性阻尼以及较大的声波传递速度等优异的性质,单晶金刚石是一种理想的谐振子加工材料,但是金刚石硬度大且化学性能稳定,难以采用传统的加工方法成形加工。激光刻蚀因精度高,加工结构对称性好以及破损率低等特点,是一种较好的单晶金刚石加工方法。采用紫外激光加工机,研究了不同激光参数对单晶金刚石刻蚀质量的影响,通过合理设计微杯形谐振结构,规划激光刻蚀加工的轨迹,采用优化后激光刻蚀参数,实现了结构对称性较好的微杯形谐振子的加工,有望应用于高性能微杯形谐振陀螺。     

不同晶面的氢终端单晶金刚石场效应晶体管特性

通过微波等离子体化学气相淀积技术生长单晶金刚石并切割得到(110)和(111)晶面金刚石片,以同批器件工艺制备两种晶面上栅长为6μm的氢终端单晶金刚石场效应管,从材料和器件特性两方面对两种晶面金刚石进行对比分析.(110)面和(111)面金刚石的表面形貌在氢终端处理后显著不同,光学性质则彼此相似.VGS=–4 V时,(111)金刚石器件获得的最大饱和电流为80.41 m A/mm,约为(110)金刚石器件的1.4倍;其导通电阻为48.51 W·mm,只有(110)金刚石器件导通电阻的67%.通过对器件电容-电压特性曲线的分析得到,(111)金刚石器件沟道中最大载流子密度与(110)金刚石器件差异不大.分析认为,(111)金刚石器件获得更高饱和电流和更低导通电阻,应归因于较低的方阻.     

高质量单晶金刚石的合成、结构与光学性能研究

采用微波等离子体化学气相沉积法通过控制痕量杂质制备了高质量单晶金刚石材料,并对其结构与光学性能进行综合评价。通过紫外可见吸收光谱和光致发光谱分析了晶体的杂质及含量;采用拉曼光谱、摇摆曲线及X射线白光形貌束分析了不同质量单晶体的晶体结构及结晶质量;通过偏光显微镜综合评价了不同质量单晶金刚石的晶体结构和缺陷。结果证明:获得的高纯单晶金刚石含有少量的缺陷、杂质,其位错应力场以聚集状均匀分布,高纯单晶金刚石与微掺氮单晶金刚石在紫外可见近红外波段的透过率最高可分别达到71.58%和71.27%,接近单晶金刚石的理论透过率(71.6%),且在本征红外吸收波段,高纯金刚石晶体相对微掺氮单晶金刚石,对称性较好,样品吸光度较小。控制痕量杂质制备的高质量单晶金刚石膜有望应用于光探测器探头和光学窗口。     

氢终端单晶金刚石反相器特性

超宽禁带半导体金刚石材料在高温、高压电路中具有重要的应用潜力.本研究采用微波等离子体化学气相沉积生长的单晶金刚石衬底制备了原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)的Al₂O₃栅介质的氢终端金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)器件,并与负载电阻互连,成功制备了金刚石反相器. 4μm栅长的氢终端金刚石器件实现了最大113.4 m A/mm的输出饱和漏电流,器件开关比高达109,并在不同负载电阻条件下均成功测得金刚石反相器的电压反转特性,反相器的最大增益为10.     

高温高压金刚石单晶生长界面的研究

 利用扫描电镜及Auger电子谱技术研究了高温高压下金刚石单晶生长界面的特性，观察到了金刚石单晶表面及金属膜表面的沟槽结构及金刚石-金属、金属-石墨两个主界面间的过渡层结构及界面间C原子电子组态的变化。     

短脉冲红外激光诱导等离子体微刻蚀单晶高温高压金刚石

采用短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术加工金刚石微结构,研究短脉冲红外激光的光强、脉宽、重复频率、靶材与金刚石基片之间的距离等加工参数对金刚石的加工线宽、槽深以及加工效果的影响.当用脉冲宽度大于4 ns的激光作用在方向良好的单晶金刚石上时,光热作用明显,诱导产生金属等离子团的能量密度达到一定阈值且复合短脉冲激光能量作用...     

温度对Ib型和IIa型金刚石大单晶(100)表面特征的影响

本文在5.6 GPa, 1250–1340 ℃的条件下, 利用温度梯度法, 以FeNiMnCo 合金为触媒, 沿籽晶的(100)晶面成功合成了不同晶形的优质Ib型和IIa型金刚石大单晶. 利用激光拉曼附件显微镜, 分别对上述不同温度下合成的两类金刚石样品上表面(100)面的中心区域及棱角区域进行观察分析. 研究发现, Ib型和IIa型金刚石大单晶(100)晶面上从中心到棱角处黑色纹路的分布逐渐变黑变密集; 另外, 随着金刚石合成温度的升高, Ib型金刚石大单晶(100)面上黑色纹路由稀疏逐渐变稠密, 而IIa型金刚石大单晶的黑色纹路较为稀疏; Ib型金刚石大单晶的形貌特征表现为从低温晶体的不规则分布过渡到中温、高温晶体的典型树枝状分布. IIa型金刚石大单晶(100)面特征随温度变化规律与Ib型的类似. 这两类金刚石大单晶表面特征的差异可能是由于IIa 型金刚石具有比Ib型更小的生长速度和更少的氮含量. 最后, 对两类塔状金刚石大单晶进行拉曼光谱测试分析, 结果表明IIa型金刚石大单晶的品质较Ib型金刚石大单晶好.     

自支撑单晶氧化物薄膜的应用研究进展

随着柔性电子的迅猛发展,越来越多的新型智能可穿戴电子设备,逐渐改变人们的生活方式.同时,可穿戴器件小型化、柔性化、集成化、低功耗等需求不断提高,对柔性功能材料的要求越来越高,特别是亟需具有丰富功能特性的氧化物薄膜材料.近年来,随着薄膜生长与剥离技术的进步,自支撑单晶氧化物薄膜被开发出来.由于其脱离衬底束缚展现出优异柔性特征的同时,保持了丰富的磁、电、光、热、力等功能,在信息存储、智能传感、生物医疗、能源等领域具有广泛的应用前景.本文从自支撑氧化物薄膜的制备技术出发,展开介绍了基于铁电、压电、铁磁、金属-绝缘体转变等物理效应的晶体管存储器、能量收集、纳米发电机、应变传感器、储能器件及超导等方面的应用.