中国粉体网讯 金刚石作为一种独特的材料，因其优异的力学、电学、热学和光学性能而广泛应用于各个领域，如电子器件、光学元件和生物医学等。然而，天然金刚石的稀有性和高成本限制了其在工业和科研领域的应用。为了解决这一问题，科学家们发展了多种人工合成金刚石的方法。主流的合成方法有高温高压(high pressure and high temperature，HPHT)法和化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD) 法。
目前，常用的CVD法合成单晶金刚石，主要包括微波等离子体CVD法(MPCVD)、热丝CVD法火焰燃烧CVD法和直流弧光等离子CVD法等。
微波等离子体CVD(MPCVD)法合成金刚石过程
MPCVD法是一种化学气相沉积（CVD）技术，其基本原理是将含有金刚石前驱体的气体引入反应室，在较高温度下使前驱体气体分解，生成金刚石晶体。具体来说，MPCVD法主要包括以下几个步骤：
图1 MPCVD法合成金刚石流程图
1. 衬底准备：选择合适的衬底材料，如硅、钼或钨，并进行表面处理，以提高金刚石生长的附着力和质量。
2. 气体注入：将含有金刚石前驱体的气体注入反应室。常用的前驱体气体包括甲烷、乙炔、氢气等。
3. 微波激发：微波发生器产生微波能量，激发气体分子，形成高浓度的等离子体。反应温度通常在800℃左右。
4. 压力控制：通过调节压力，使金刚石晶体在适宜的环境中生长。通常采用较高的压力，以利于金刚石晶体的生长。
5. 晶体生长：在适宜的温度和压力条件下，金刚石晶体逐渐生长，形成大颗粒金刚石。
6. 收集产物：将生长好的金刚石晶体从反应室中冷却后取出，进行后续处理和应用。
为什么选择MPCVD法？
当前成熟的 CVD 金刚石膜的生长方法主要有热丝CVD 法、微波等离子体 CVD法、直流等离子体喷射CVD法等。热丝 CVD 法虽然设备成本低，但灯丝容易断、基本上生长一次需要换一次灯丝。而且灯丝一般为钨丝，钨高温易挥发污染样品，因此样品质量不高，大多数只能做工具级金刚石薄膜。直流等离子体喷射 CVD 法具有气体温度高、能量密度大、离化率高的特点，但是其耗电量大，大幅增加了生产成本。微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法具有放电区集中、无污染、工作稳定、易于精确控制、沉积速率快、成膜质量高等优点。
图2不同几何形状的 MPCVD 装置。（a）石英管式 MPCVD 装置，（b）圆柱金属谐振腔式MPCVD 装置，（c）多模非圆柱谐振腔式 MPCVD 装置，（d）椭球谐振腔式 MPCVD 装置。
图2 展示了不同几何形状的 MPCVD 装置，代表了国内外微波等离子CVD 技术的发展过程。目前国内使用的微波频段以2.45GHz和915MHz为主，对 2.45GHz 的装置而言，石英管式装置的微波功率较低，现在已经很少使用；石英钟式装置和圆柱金属谐振腔装置的功率水平适中；多模非圆柱谐振腔式装置和椭球谐振腔式装置的微波输入功率较高，一般超过5kW。对于频率较低（915MHz）的装置而言，其波长更长，激励产生的等离子体尺寸更大，可以得到大面积的金刚石膜，但相应的设备较大，加工相对困难。
MPCVD法制备人造金刚石的应用前景
1. 工业领域
高品质级大颗粒金刚石在工业领域具有广泛的应用前景。例如，在磨削、切割、抛光等工艺中，高品质金刚石工具可以提高加工效率、降低成本、延长使用寿命。此外，金刚石颗粒还可用于制备高速钢、硬质合金等复合材料，提高材料的性能。
2. 珠宝首饰领域
高品质的大颗粒金刚石在珠宝首饰领域具有极高的价值。金刚石的颜色、透明度、纯净度等因素决定了其观赏价值和收藏价值。MPCVD法制备的金刚石具有优异的物理性能和美观的外观，可用于制作高端珠宝首饰。
3. 科学研究领域
金刚石具有独特的物理性质，如高热导率、高电导率、高硬度等，使其在科学研究领域具有广泛的应用前景。MPCVD法制备的直径4英寸、厚度2毫米的金刚石微波材料可用于为“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置传输微波能量。
4. 半导体领域
金刚石具有优异的导电性和热导性，可用于制备半导体器件。MPCVD法制备的金刚石晶体具有较高的晶体完整性，有利于提高半导体器件的性能。
参考来源：
河北日报，因地制宜发展新质生产力丨“河北造”金刚石助“人造太阳”点火
权乐，CVD 金刚石膜研究进展
许坤等，MPCVD 法生长曲面多晶金刚石薄膜研究
产思义等，2 英寸 MPCVD 光学级均匀金刚石膜的制备研究
（中国粉体网编辑整理/留白）
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