通过精确控制晶体取向并随后进行表面抛光，制备出无缝镶嵌钻石

《Optical Materials》：Fabrication of seamless mosaic diamonds by precise controlling of the crystallographic orientations followed by surface polishing

优化CH4浓度与温度的mosaic生长结合表面处理技术，成功制备出低应力（0.10 GPa）、高热导率（>2100 W/mK）的单晶金刚石。通过X射线极图仪和蚀坑匹配控制晶格取向偏差小于1°，激光平面化与等离子体蚀刻降低表面粗糙度至2.5 nm，显著提升光学透射率（71.6%）与界面质量。

　　

张文龙|桑明阳|刘晨成|朱毅|谢中祥|周文平|杨向东|姜楠|王月忠

中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进海洋材料国家重点实验室，中国宁波，315201

摘要

本研究通过界面控制采用马赛克生长方法制备了高质量的单晶金刚石（SCD），随后进行了表面处理。在马赛克生长之前，我们优化了甲烷（CH₄）的浓度和温度，以平衡表面晶体质量和生长速率。在马赛克生长过程中，仔细研究了种子沿X、Y和Z轴的晶体取向对连接界面的影响。通过X射线取向角仪和蚀刻坑匹配，实现了小于1°的取向偏差角（θ），然后进行了表面阶梯流调制处理。这种方法获得了接近无缝融合的高质量接头。所得马赛克SCD的半高宽（FWHM）值约为2.83?cm^?1，应力较低（约0.10?GPa）。经过包括激光平面化、等离子体蚀刻和抛光在内的顺序表面处理后，该马赛克SCD表现出高透射率（约71.6%@8–12?μm）、高导热性（>2100?W/mK）和低表面粗糙度（约2.5?nm@50?×?50?μm²）。这些优异的性能得益于马赛克样品的优质界面和表面。本研究可为高质量、大尺寸单晶金刚石的制备提供有价值的参考，从而应用于光学和热学器件。

引言

单晶金刚石（SCD）因其众多的优异物理和化学性质而受到广泛关注。这些性质包括宽禁带（5.5?eV）、高击穿电场（>10?MV/cm）、极高的导热性（约2200?W/mK）、极端的硬度、宽的光学透射带以及优异的化学稳定性[[1], [2], [3]]。这些特性使SCD成为热管理应用[[4], [5], [6]]、光学介质和红外（IR）窗口的理想候选材料[7,8]。

许多应用需要大尺寸的SCD（例如1?2英寸），而这些在市场上尚未实现。实际上，制备如此大尺寸的高质量SCD仍然是一个挑战。SCD的制备方法主要包括高压高温（HPHT）合成[[9], [10], [11], [12]]、通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）进行异质外延和同质外延生长[[13], [14], [15]]。MPCVD已成为通过精确控制生长速率和形态来制备高质量SCD的最佳方法之一，可通过调节微波功率、气体压力、气体比例（CH₄/H₂/N₂）和蚀刻气体来实现[[16], [17], [18], [19], [20]]。MPCVD的马赛克方法是制备大尺寸SCD的最佳方法之一。然而，主要挑战在于如何有效控制界面质量以实现英寸级的金刚石晶体[21]。Yamada等人[22]利用“克隆”技术成功制备了面积为20?×?20?mm²和20?×?40?mm²的马赛克晶圆。然而，他们观察到当晶圆尺寸超过约2英寸（40–60?mm）时会出现裂纹。在马赛克外延层的表面处理阶段，采用了优化的激光聚焦技术，有效地实现了高精度的切片[23,24]。这种精确的切割技术为后续的大规模SCD生长提供了有利条件。然而，这种技术的采用导致较大晶圆的材料损失增加，这也是外延层质量下降的主要原因。Li等人[25]尝试使用“T形”拼接模式制备大尺寸SCD，但这种方法导致了更多的接头和接头处质量的下降。因此，对于更大尺寸的马赛克SCD，优化其表面和接头质量在整个生长过程中至关重要。

我们的研究主要集中在马赛克生长过程中界面性质的调控上。通过优化生长参数，获得了高质量马赛克SCD合成的最佳条件。随后，我们根据晶体取向对金刚石种子进行了分类，并将分类后的种子放置在MPCVD腔室内进行生长前处理，然后进行阶梯流对准和表面抛光。仔细分析了处理与性质之间的关系。在优化参数下，从马赛克金刚石种子制备出了具有优异接头和表面质量的SCD。此前尚未有系统的相关研究报道。

章节摘录

马赛克金刚石的同质外延生长

用于马赛克生长的金刚石种子由佛山耀石新材料科技有限公司提供。这些种子是具有（100）取向的立方CVD单晶金刚石，六个表面的取向均为（100）。种子的尺寸约为12?mm?×?12?mm?×?0.5?mm。为了最小化种子厚度对马赛克生长的影响，单个种子之间的厚度差异保持在10?μm以下。首先，种子用热Piranha溶液（H₂SO₄:H₂O₂?=?7:3）清洗120分钟，然后...

CH₄浓度对SCD的影响

对于SCD的合成，CH₄浓度是一个关键参数。为了控制变量并确保四种CH₄浓度下的沉积条件一致，具体参数设置如下：总压力保持在11.3?kPa，输入功率为4600?W。除了CH₄外，输入气体还包括H₂和混合气体(N₂: H₂?=?0.1:99.9)，流量分别为400 sccm和5 sccm。基底沉积温度为980?°C。如图3所示...

结论

通过设计和优化马赛克生长及表面抛光的工艺参数，获得了高质量的SCD样品。在优化生长参数下，样品的半高宽（FWHM）值为约2.66?cm^?1，生长速率为约4.8?μm/h。通过将具有相同晶体取向的种子对齐（θ?

CRediT作者贡献声明

张文龙：概念构思、数据整理、撰写——初稿。 桑明阳：数据整理。 刘晨成：数据整理。 朱毅：正式分析。 谢中祥：方法论、撰写——审阅与编辑。 周文平：方法论。 杨向东：数据整理。 姜楠：资金获取、监督。 王月忠：概念构思、资金获取、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFB3816600）、国家自然科学基金（52272053）和永江人才引进计划（2021A-108-G）的支持。