中國粉體網訊 金剛石作為一種獨特的材料，因其優(yōu)異的力學、電學、熱學和光學性能而廣泛應用于各個領域，如電子器件、光學元件和生物醫(yī)學等。然而，天然金剛石的稀有性和高成本限制了其在工業(yè)和科研領域的應用。為了解決這一問題，科學家們發(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)法合成金剛石過程
MPCVD法是一種化學氣相沉積（CVD）技術，其基本原理是將含有金剛石前驅體的氣體引入反應室，在較高溫度下使前驅體氣體分解，生成金剛石晶體。具體來說，MPCVD法主要包括以下幾個步驟：
圖1 MPCVD法合成金剛石流程圖
1. 襯底準備：選擇合適的襯底材料，如硅、鉬或鎢，并進行表面處理，以提高金剛石生長的附著力和質量。
2. 氣體注入：將含有金剛石前驅體的氣體注入反應室。常用的前驅體氣體包括甲烷、乙炔、氫氣等。
3. 微波激發(fā)：微波發(fā)生器產生微波能量，激發(fā)氣體分子，形成高濃度的等離子體。反應溫度通常在800℃左右。
4. 壓力控制：通過調節(jié)壓力，使金剛石晶體在適宜的環(huán)境中生長。通常采用較高的壓力，以利于金剛石晶體的生長。
5. 晶體生長：在適宜的溫度和壓力條件下，金剛石晶體逐漸生長，形成大顆粒金剛石。
6. 收集產物：將生長好的金剛石晶體從反應室中冷卻后取出，進行后續(xù)處理和應用。
為什么選擇MPCVD法？
當前成熟的 CVD 金剛石膜的生長方法主要有熱絲CVD 法、微波等離子體 CVD法、直流等離子體噴射CVD法等。熱絲 CVD 法雖然設備成本低，但燈絲容易斷、基本上生長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，因此樣品質量不高，大多數(shù)只能做工具級金剛石薄膜。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，但是其耗電量大，大幅增加了生產成本。微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）法具有放電區(qū)集中、無污染、工作穩(wěn)定、易于精確控制、沉積速率快、成膜質量高等優(yōu)點。
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，代表了國內外微波等離子CVD 技術的發(fā)展過程。目前國內使用的微波頻段以2.45GHz和915MHz為主，對 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5kW。對于頻率較低（915MHz）的裝置而言，其波長更長，激勵產生的等離子體尺寸更大，可以得到大面積的金剛石膜，但相應的設備較大，加工相對困難。
MPCVD法制備人造金剛石的應用前景
1. 工業(yè)領域
高品質級大顆粒金剛石在工業(yè)領域具有廣泛的應用前景。例如，在磨削、切割、拋光等工藝中，高品質金剛石工具可以提高加工效率、降低成本、延長使用壽命。此外，金剛石顆粒還可用于制備高速鋼、硬質合金等復合材料，提高材料的性能。
2. 珠寶首飾領域
高品質的大顆粒金剛石在珠寶首飾領域具有極高的價值。金剛石的顏色、透明度、純凈度等因素決定了其觀賞價值和收藏價值。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. 科學研究領域
金剛石具有獨特的物理性質，如高熱導率、高電導率、高硬度等，使其在科學研究領域具有廣泛的應用前景。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”全超導托卡馬克核聚變實驗裝置傳輸微波能量。
4. 半導體領域
金剛石具有優(yōu)異的導電性和熱導性，可用于制備半導體器件。MPCVD法制備的金剛石晶體具有較高的晶體完整性，有利于提高半導體器件的性能。
參考來源：
河北日報，因地制宜發(fā)展新質生產力丨“河北造”金剛石助“人造太陽”點火
權樂，CVD 金剛石膜研究進展
許坤等，MPCVD 法生長曲面多晶金剛石薄膜研究
產思義等，2 英寸 MPCVD 光學級均勻金剛石膜的制備研究
（中國粉體網編輯整理/留白）
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