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美国华盛顿卡内基研究所实现PECVD钻石高速生长



  2002 年,据美国华盛顿卡内基研究所的 Yan C S(颜志学)和 Mao H K (毛河光)等人 [22] 报道, 该研究小组利 用 PECVD 技术 首次实现了 高品 质单 晶 钻石的高速生长, 他们以 Ib 型 UPHT 钻石为 衬底, 沉积面为 光滑的 (100) 晶面, 在反应气体 (H 2 /CH 4 )中加入少量 N 2 的情况下, 最高生长速率达到惊人的150 μm/h ( 一 般为 50~100 μm/h ), 比传统的 沉积速率高出两个数量级。 文献 [7] 中, 单晶钻石的生长实验参数为 n(CH 4 )∶n(H 2 )=12% , n(N 2 )∶n(CH 4 )=3% , 总压力 为 160 torr , 反应温度为 1 000~1 500 ℃ , 微波功率为 1~2 kW 。 观察其生长参数不难发现, 与早期的低速率生长钻石的参数相比, 其碳源浓度、反应气压和衬底温度都有了大幅度的提升。 2004 年, 日本 AIST 的 Chayahara A 等人 [23] 以与文献 [22] 中几乎同样的工艺参数在 Ib 型 HPHT 单晶钻石衬底上实现了钻石的高速同质外延, 生长速率为 30~120μm/h 。 这两篇报道均证实了提高反应气压、等离子体功率密度和加入少量的 N 2 是能够显著提高钻石生长速率的。

  文献 [23] 研究了 N 2 流量对单晶PECVD钻石生长速率的影响。 采用了两种不同的基片台设计, 一种为“开放式”(图 1 左上角), 另一种为 “围绕式”(图 1 右下角)。 可以观察到, 随着 N 2 流量的增加, 钻石的生长速率先较快增长, 然后趋于平缓, 达到一个最大值。 继续增加 N 2 流量, 就会对钻石的生长产生不良影响。 并且, 反应过程对 N 2 流量是极敏感的, 微量的 N 2 增加就能带来很大的变化。 特别需要指出 的是, 两种不同形状设计的基片台给生长速率带来的

  影响是非常明显的, “开放式” 设计的基片台获得的生长速率要远高于另一种。据报道 [24] ,在加入少量氮气的情况下,卡内基研究的 PECVD 技术合成单晶钻石的生长速率已经超过 200 μm/h , 并且具备在更高的压力(高于 400 torr ,

  甚至高达 760 torr )下生长单晶钻石的能力。

  1.1.2 钻石的不含氮生长

  虽然 N 2 的加入能够显著的提高钻石 (100) 面的沉积速率, 但是对于单晶钻石来说, N 原子是杂质, 它的存在会对单晶钻石的光学、力学性能等产生不良影响, 最为明显和最直接的影响就是使钻石呈现出黄褐色, 因此需要严格控制 N 2 的掺入量。与加入 N 2 沉积钻石相比, 不加入 N 2 沉积钻石的生长速率较慢, 但是后者的纯度更高,能够合成近无色甚至无色透明的 PECVD钻石。




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