钻石以其许多最高的材料特性而闻名。它定义了莫氏硬度标度的顶端，在室温下具有最高的体导热系数，并且具有非常低的热膨胀系数。金刚石的大间接带隙导致其在非常宽的波长范围内(红外线到紫外线)透明，并具有电绝缘性能。缺陷会损害这些特性，但有意掺杂(例如B原子)可以使金刚石具有半导体性质，从而提供进一步的优势。为了优化金刚石质量或掺杂，有必要了解金刚石的生长过程。

图1所示。(a) CVD生长的微晶和(b)纳米晶金刚石薄膜的SEM横截面图像。

金刚石中碳原子的刚性四面体键结结构与石墨(碳的另一种常见的、热力学上更稳定的同素异形体)的结构形成鲜明对比。石墨由刚性的六边形层组成，由(弱得多的)范德华力维系在一起。这些结构差异导致了巨大的能量势垒，在不施加非常高的压力和温度的情况下，石墨无法相互转化为金刚石。

金刚石可以通过化学气相沉积(CVD)在不那么极端的条件下生长。图1显示了两种不同形态(反映不同生长条件)的金刚石薄膜的横断面扫描电镜(SEM)图像。CVD采用弱电离微波(MW)活化甲烷/氢(CH)₄/小时₂等离子体能够在合适位置的衬底上以动力学(而不是热力学)控制金刚石生长。工艺优化需要正确理解等离子体和等离子体-衬底界面中普遍存在的物理和化学过程，以及这些过程如何随操作条件的变化而变化(例如，输入气体混合物、压力、毫瓦功率、衬底和衬底温度)。理想情况下，这种理解应该扩展到CH₄/小时₂含有少量掺杂剂的等离子体。例如，在工艺气体混合物中添加微量氮可以提高两倍或更多的金刚石生长速率，而添加微量(百万分之一)的二硼烷足以诱导p型半导体。

图2所示。用于金刚石CVD的兆瓦级反应器的图像(右)和切割描述(左)。

图2显示了一个运行中的兆瓦级反应堆，带有用于等离子体诊断的探针激光器(绿色)。气体温度在等离子体核心达到峰值，达到~3000 K，因此诊断依赖于非侵入性光学技术和互补建模。吸收方法(一个超灵敏的例子是腔衰荡光谱)测量热等离子体区域中选定物质的空间分辨绝对柱密度。光学发射光谱(OES)更容易实现，但只能返回发射物质的相对浓度。OES被广泛用于过程监测和控制。这样的诊断，加上互补的等离子体模型，是目前对钻石CVD过程的理解的原因，正如最近发表在英国皇家化学学会杂志上的一篇综述所描述的那样化学通讯布里斯托尔大学的一组科学家

氢分子在热等离子体区热解离产生氢(H)原子。这些氢原子在整个反应器中扩散，引发CH的H移反应₄，这导致CH的分布_x(x=0-3)自由基，包括甲基(CH)_3.）.这些CH_x自由基可以相互反应，生成一定范围的C₂H_y(y=0-6)种，包括乙炔(C₂H₂)，它是热等离子体区域中含c最多的物质。气相H原子在促进高质量金刚石的生长中起着重要的作用。例如，它们优先将石墨碳蚀刻回气相。它们在抽象表面终止氢原子，创造必要的自由基位点以实现生长方面也至关重要。生长本身通常以添加CH为主_3.自由基到达这些表面自由基位点，随后的抽象、重排和(有限的)迁移步骤导致碳原子的完全结合。

爱德华·马奥尼，Michael N.R. Ashfold
英国布里斯托尔大学化学学院

出版

什么[用于生长的等离子体]钻石能像火焰一样发光?
Ashfold MNR, Mahoney EJD, Mushtaq S, Truscott BS, Mankelevich YA
化学通讯(Camb)。2017年9月21日

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