单晶金刚石车刀在陶瓷基复合材料加工中的应用研究

介绍了陶瓷基复合材料(CMC)材料材料特点以及在航空发动机中的应用,以及单晶金刚石刀具优势以及在新型材料加工中的应用。通过分析航空发动机尾锥加工工艺,确定主要的加工难点,并通过增加零件工艺过程的刚性,将加工难点聚焦至车削参数的优化。基于此,设计车削正交试验,得到最佳车削参数。随后进行优化参数的切削对比试验,并验证了其优化参数的切削效果。最后总结了零件工艺过程并提出了实际零件加工过程中切削参数的调整方法。

培育大单晶金刚石的现状与未来

金刚石以其卓越的硬度和广泛的应用领域而闻名。由于天然金刚石的供应不足和高昂的价格,人工培育的大单晶金刚石成为了一种备受关注的替代品。文章首先阐述了金刚石的独特性质及其在科技领域的重要作用,解析了天然金刚石的稀缺性问题。然后详述了培育大单晶金刚石的发展历程,介绍了高温高压法和化学气相沉积法两种主要的合成方法及当前面临的技术难题。文章预测了培育大单晶金刚石的未来发展前景,分析了其在珠宝首饰、半导体、量子技术等领域的广阔应用空间及实现这些应用的技术挑战。最后,给出了加快培育大单晶金刚石技术成熟和产业化进程的几点建议。文章旨在全面系统地综述培育大单晶金刚石研究的现状与发展趋势,为该领域的科研工作者和产业界提供参考。

单晶金刚石声子非简谐衰减效应研究

随着金刚石作为散热材料在大功率半导体器件、激光器、微波器件和大规模集成电路等领域中的应用愈加广泛,通过对金刚石局部进行精确测温以评价其散热性能是一个重要的研究课题。本文使用拉曼光谱仪对不同掺杂类型的高温高压(HTHP)样品和化学气相沉积(CVD)样品在228~678 K进行检测,得到了金刚石样品TO模拉曼峰位、半峰全宽等与温度的一一对应关系,并通过理论计算模型明确了热膨胀、三声子、四声子随温度变化对拉曼峰位、半峰全宽的贡献。理论和实验测试结果发现:不同掺杂以及不同类型样品的拉曼光谱峰位无明显区别;随温度升高,半峰全宽宽化,主要影响因素为声子衰减导致的非简谐效应,同时受载流子的电离率、浓度、类型,以及缺陷和杂质影响;声子寿命主要受到声子的非简谐衰减作用影响,基本不受杂质散射的影响。本研究为金刚石材料的温度检测提供了一种无损、非接触、高空间分辨率的方法。

等离子体聚集装置下的高能量密度单晶金刚石快速生长研究

单晶金刚石是一种性能优异的晶体材料,在先进科学领域具有重要的应用价值。在微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)单晶金刚石生长中,如何提高晶体的生长速率一直是研究者们关注的重点问题之一,而采用高能量密度的等离子体是提高单晶金刚石生长速率的有效手段。在本研究中,首先通过磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,MHD)模型仿真计算,优化设计了特殊的等离子体聚集装置;随后基于模拟结果进行生长实验,采用光谱分析和等离子体成像对等离子体性状进行了研究,制备了单晶金刚石生长样品;并通过光学显微镜、拉曼光谱对生长样品进行测试。模拟结果显示,聚集条件下的核心电场和电子密度是普通条件下的3倍;生长实验结果显示,在常规的微波功率(3500 W)、生长气压(18 kPa)下得到的高能量密度(793.7 W/cm^(3))的等离子体与模型计算结果吻合。高能量密度生长条件并不会对生长形貌产生较大影响,但加入一定量氮气能够显著改变生长形貌,并对晶体质量产生影响。采用这种方法,成功制备了高速率(97.5μm/h)单晶金刚石。不同于通过增大生长气压来获得高能量密度的途径,本研究在常规的生长气压和微波功率下也可以生长高能量密度单晶金刚石。

MPCVD高功率外延生长单晶金刚石均匀性研究

目的 为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,开展了高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长研究。方法 利用实验室自主研发的915 MHz-MPCVD装置,在15~37 kW的高功率微波馈入的条件下,研究了在高功率微波等离子体环境中CVD单晶金刚石的均匀生长条件,利用光学显微镜及激光拉曼光谱对所生长的单晶金刚石进行了形貌质量表征,利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行了诊断。结果 在保持甲烷体积分数为5%时,当微波功率为15k W时,等离子体球的尺寸较小,并不能完全覆盖直径150 mm的基片台;将微波功率从28 kW提高到37 kW,肉眼所见的等离子体尺寸变化并不明显,但等离子体的能量分布范围有一定的扩大,这意味着在一定的范围内活性基团的能量分布更均匀。在较高的微波功率下,分布于基片台不同区域的单晶金刚石片均能获得较好的层状生长台阶。随着微波功率的提高以及基片温度的增加,分布于基片台不同区域的微波电磁场强度都有所增强,提高了单晶金刚石的生长速率和质量。结论 在高功率等离子体环境中,通过大幅度的提高微波功率,可以有效地活化含碳基团,在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高速生长的活性基团。在微波功率为37k W、甲烷体积分数为5%的情况下,将基片温度控制在950℃附近,可以有效地抑制多晶杂质的生成,实现了57片单晶金刚石的批量生长。

异质外延单晶金刚石及其相关电子器件的研究进展

相较于传统的硅材料,宽禁带半导体材料更适合制作高压、高频、高功率的半导体器件,被认为是后摩尔时代材料创新的关键角色。单晶金刚石拥有大禁带宽度、高热导率、高迁移率等优异特性,更是下一代大功率、高频电子器件的理想半导体材料。然而由于可获得单晶金刚石的尺寸较小,且价格昂贵,极大地阻碍了金刚石的发展。历经长时间的探索,异质外延生长技术成为了获得高质量、大面积单晶金刚石的有效手段。本综述从金刚石异质外延的衬底选择、生长机理以及质量改善等方面对近些年来异质外延单晶金刚石的发展进行详细介绍。进一步地,对基于异质外延单晶金刚石的场效应晶体管和二极管的研究进行了总结,说明了异质外延单晶金刚石在电子器件领域的巨大潜力。最后总结了异质外延单晶金刚石仍需面对的挑战,展望了其在未来的应用与发展前景。

MPCVD同质外延单晶金刚石研究进展

微波等离子体化学气相沉积法(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)外延单晶金刚石被认为是制备大尺寸、高质量的单晶金刚石极具前景的技术手段之一。本文首先对MPCVD同质外延单晶金刚石生长机理及最新进展做了简要介绍,然后着重阐述了MPCVD法制备大尺寸、高质量单晶金刚石在籽晶筛选与预处理、基台结构设计及生长工艺探索等方面的工作,并对MPCVD高品质单晶金刚石在力学、热学、光学及电子学等领域的应用进行了介绍,对未来单晶金刚石的应用前景进行了展望。

利用发射光谱探究CO_(2)对MPCVD法生长单晶金刚石质量的影响

等离子体发射光谱作为一种非侵入性等离子体诊断手段能有效探测等离子体内部基团的变化信息,对这些信息的分析可以反映等离子体的特性,从而有助于探究影响单晶金刚石生长结果的原因和机理。CO_(2)是一种比O2更安全的气体,近年来在源气体引入CO_(2)生长高质量单晶金刚石的研究日渐增多。本文利用微波等离子体化学气相沉积法在4.2 kW的微波功率下进行单晶金刚石同质外延生长实验,对生长过程中的CH_(4)/H_(2)/CO_(2)等离子体进行了发射光谱诊断,最后结合光谱信息和拉曼光谱表征研究了CO_(2)体积分数对单晶金刚石生长质量的影响,结果发现CO_(2)浓度增加对C_(2)和CH基团强度抑制作用明显,对C_(2)抑制作用最强,这也是导致生长速率下降的主要原因。I(CH)/I(Hα)比值略有增加,说明CO_(2)增加对金刚石前驱物的沉积有促进作用,这在一定程度上减弱了对生长速率的不利影响。拉曼表征结果说明0~5%CO_(2)浓度下的单晶金刚石质量随CO_(2)浓度上升变好,且浓度为5%时,1420 cm−1杂质峰基本消失。

ECR-MPCVD单晶金刚石外延生长研究

借助高速光纤光谱仪对ECR微波等离子体进行实时诊断,研究了等离子体空间分布以及工作气压和甲烷浓度对等离子体发射光谱的影响,并在ECR-MPCVD设备上研究了单晶金刚石同质外延生长工艺。在CH4/H2体系下,ECR微波等离子体与运行于中高气压下等离子体中所含基团种类基本相同。且等离子体各基团谱峰相对强度沿磁场强度梯度下降的方向减弱,在磁场共振区(875 Gs)最强,将基片台置于磁场共振区,则基片台附近各基团谱峰相对强度随气压的升高先增强后减弱,I(H_(α))、I(H_(β))、I(H_(γ))峰值在气压0.6 Pa附近,I(CH)和I(C_(2))峰值在0.8 Pa附近。保持工作气压为0.8 Pa,甲烷浓度从0.5%增加到8%的过程中,I(H_(α))几乎不变,I(H_(β))和I(H_(γ))先降低后趋于饱和,I(CH)和I(C_(2))先增强后趋于饱和;I(H_(α))/I(C_(2))先急剧下降后缓慢减小再趋于饱和,I(H_(α))/I(CH)缓慢减小并趋于饱和,I(CH)/I(C_(2))和I(H_(γ))/I(H_(β))基本不变。以微波功率1200 W,氢气流量50 mL/min,甲烷浓度3%,工作气压0.8 Pa,金刚石种晶温度800℃的条件下生长10 h,在抛光的单晶金刚石表面得到了呈台阶状生长的外延层,生长速率为200 nm/h。

半导体用大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工研究现状

单晶金刚石具有超宽的禁带宽度、低的介电常数、高的击穿电压、高的热导率、高的本征电子和空穴迁移率,以及优越的抗辐射性能,是目前已知的最有前景的宽禁带高温半导体材料,被誉为“终极半导体”。但单晶金刚石在半导体上的大规模应用还有很多技术难题急需解决。本文聚焦大尺寸(英寸级)单晶金刚石衬底的化学气相沉积合成、剥离切片及研磨抛光技术,通过对近年来的相关文献进行整理,综述了相关方面的国内外研究现状。在此基础上,对未来单晶金刚石半导体材料的制备、剥离和研磨抛光进行了展望。

基于等离子体诊断的MPCVD单晶金刚石生长优化设计

微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)技术是制备大尺寸、高品质单晶金刚石的理想途径,然而MPCVD单晶金刚石生长过程的复杂性与晶体生长需求的多样性难以对生长过程进行优化设计。针对此问题,本研究提出了一种基于等离子体诊断技术的MPCVD单晶金刚石生长的系统性设计方法,采用等离子体成像和光谱分析对微波等离子体进行量化诊断。并利用自主研发的MPCVD设备,研究了腔室压力-微波功率-等离子体性状-衬底温度间的物理耦合特性和量化关系,得到了不同参数下的等离子体有效长轴尺寸、基团浓度和分布、能量密度等数据,以实验观测数据为基础拟合得到了单晶金刚石生长工艺图谱。根据此工艺图谱,可以通过选择生长温度和所需生长面积来选取工艺参数,且通过实验验证,表明此图谱具有较强的指导意义,预测参数误差小于5%。同时根据该图谱的预测,研究了不同等离子体能量密度下的单晶金刚石生长情况,在较低功率下(2600 W)也得到了较高的能量密度(148.5 W/cm3),含碳前驱体的浓度也高于其他工艺条件,因而获得了较高的生长速率(8.9μm/h)。此套方法体系可以针对不同单晶金刚石生长需求进行有效的等离子体调控和工艺优化。

飞秒激光加工CVD单晶金刚石的烧蚀特征和机理研究

为探究飞秒激光烧蚀金刚石的烧蚀特征及机理,进行了飞秒激光加工CVD单晶金刚石实验及温度场仿真模拟研究。研究了飞秒激光能量密度、扫描速度、扫描次数对金刚石烧蚀区内纳米结构的影响。研究表明,金刚石被加工区域出现了沿着<110>晶向的微裂纹,在微槽边缘区域形成了周期为100~230 nm的纳米条纹,微槽中心区域形成了周期为460~640 nm的纳米条纹,且纳米条纹的形貌与激光加工参数密切相关。通过实验获得了金刚石的烧蚀阈值为3.20 J/cm^(2),且当激光能量密度为24.34 J/cm^(2)时,金刚石的烧蚀速率为44.8 nm/pulse,材料去除率为4.34×10^(−10)g/pulse。拉曼检测发现,微槽底部的金刚石发生了石墨化,理论计算的石墨层厚度为11.1 nm。根据不同激光能量密度下拉曼峰的频移计算飞秒激光辐照后金刚石微槽内的残余应力,当激光能量密度增加至24.34 J/cm^(2)时,残余拉应力增大至1389 MPa。温度场仿真结果表明,飞秒激光加工金刚石的材料去除主要是以金刚石升华为主,且飞秒激光辐照能量大多集中在金刚石的表层,几乎不会通过热传导扩散到金刚石内部。

高纯低位错密度单晶金刚石的制备与表征

金刚石以高导热率、强抗辐射性、高的电子迁移率等优异性能,成为辐射探测器最合适的材料之一。探测器级的金刚石要求具有极低的杂质含量及位错密度等,然而实际过程中同时实现杂质和位错的控制十分困难。本研究采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,通过前期的参数优化,在最佳生长温度780℃、最佳甲烷浓度5%条件下,在两个高质量高温高压(HPHT)金刚石衬底样品上进行了MPCVD金刚石生长,并对衬底和生长层的氮杂质含量与缺陷结构进行了综合表征与分析。电子顺磁共振谱结果表明,相比两个HPHT衬底样品的氮杂质原子百分数分别为7.1×10^(-6)%和4.04×10^(-6)%,MPCVD生长层的氮杂质原子百分数明显减少,分别为2.1×10^(-7)%和5×10^(-8)%。由X射线摇摆曲线和白光形貌术测试结果发现,尽管MPCVD生长过程中引入了部分位错,使生长层应力增加,畸变区域较多,但总体位错与高质量衬底为同一数量级。本研究制备的高纯单晶金刚石有望应用于核辐射探测及半导体领域。

二氧化碳对同质外延生长单晶金刚石内应力的影响

本文研究了在反应气体中引入不同浓度的CO_(2)对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法同质外延生长单晶金刚石内应力的影响,并对其作用机理进行了分析。研究发现,随着CO_(2)浓度增加,单晶金刚石内应力逐渐减小,这是由于添加的CO_(2)提供了含氧基团,可以有效刻蚀金刚石生长过程中的非金刚石碳,并能够降低金刚石中杂质的含量,从而避免晶格畸变,减少生长缺陷,并最终表现为单晶金刚石内应力的减小,其中金刚石内应力以压应力的形式呈现。此外反应气体中加入CO_(2)可以降低单晶金刚石的生长速率和沉积温度,且在合适的碳氢氧原子比(5∶112∶4)下能够得到杂质少、结晶度高的单晶金刚石。

单晶金刚石晶体的机械研磨

为研究单晶金刚石晶体机械研磨过程中表层材料的去除机理,首先从理论上分析了单晶金刚石晶体在机械研磨过程中表层材料发生塑性变形的临界条件,并利用原子力显微镜对研磨后的(110)晶面和(100)晶面进行观测,发现两个晶面沿易磨方向<100>和难磨方向<110>研磨时的研磨表面都存在塑性变形后的纳米沟槽,表明表层材料实现了塑性方式去除.但在相同的晶面和扫描范围内,沿易磨方向研磨的表面塑性沟槽数目少,表面波纹明显;而难磨方向的研磨表面塑性沟槽数目多,所获得的表面粗糙度低.对(110)晶面和(100)晶面各个研磨方向的最大塑性沟槽深度比较的结果表明,两个晶面的最大塑性沟槽深度具有显著的各向异性.

单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析

通过金刚石单点切削试验 ,考察了对无氧铜、铝合金和单晶硅进行超精密单点切削时金刚石刀具的磨损行为 ;分析了刀具磨损对被加工材料表面粗糙度的影响 ;并应用光学显微镜和原子力显微镜对刀具的不同磨损形态进行了宏观和微观观测 ;结合热力学、化学反应磨损和机械磨损的分析方法 ,对金刚石车刀在切削 3种材料时的不同磨损机理进行了实验研究和理论分析 .结果表明 ,为了减轻甚至消除金刚石刀具的磨损 ,在切削铜时应使用少氧或无氧的切削液 ;在切削铝时应在刀具表面涂覆润滑剂或隔离膜 ;在切削单晶硅时应保证低温和少氧环境 .

MPCVD法同质外延生长单晶金刚石

利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法在高温高压(HPHT)下制备的单晶片上进行单晶金刚石同质外延生长,研究了甲烷浓度和衬底温度对金刚石生长的影响。利用扫描电子显微镜与激光拉曼光谱仪对生长前后的样品进行表征。结果表明,利用HPHT单晶片上生长时,主要为层状生长和丘状生长模式,丘状生长易出现多晶结构。降低甲烷浓度能够降低丘状生长密度,提高金刚石表面平整度;金刚石生长速率随甲烷浓度、工作气压和衬底温度的增加而提高,但过高的甲烷浓度(72%)和衬底温度(1 150℃)会降低金刚石的质量。所生长出的单晶金刚石质量较为理想,衬底与生长层之间过渡比较自然,金刚石结晶度高,缺陷密度小,但随膜层增厚,非晶碳含量有所增加。

CVD单晶金刚石的研究进展

化学气相沉积(CVD)单晶金刚石是近年来金刚石领域研究焦点之一,在众多合成方法中,微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)是诸多学者公认的稳定生长均匀高质量单晶金刚石最有前途的技术。近年来,MPCVD合成单晶金刚石在质量、速率、尺寸以及应用上取得了重大的进展,但是目前仍然有一个问题需要解决,即如何在保证质量的前提下大幅度提高单晶金刚石的生长速率。本文对CVD单晶金刚石过程中衬底的选择、表面加工与处理、基座的结构和沉积参数的选择进行了详细评述,并简要介绍了CVD单晶金刚石国内外研发成果。

MPCVD生长单晶金刚石及发射光谱分析

在微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)生长单晶金刚石过程中,测量了近衬底附近等离子体发射光谱(OES),研究了甲烷浓度对等离子体中基团谱峰强度的影响,分析了等离子体中基团谱峰相对强度与金刚石生长速率、质量的关系。利用激光拉曼光谱(Raman)和扫描电镜(SEM)对生长之后的单晶金刚石进行表征。结果表明:随着甲烷浓度的提高,Hα基团谱峰几乎不变,C2、Hβ、Hγ和CH基团谱峰强度均增加,而C2基团增加显著。同时,基团谱峰相对强度比值I(Hγ)/I(Hβ)、I(C2)/I(CH)和I(C2)/I(Hα)也都随着甲烷浓度的提高而增加。I(C2)/I(CH)比值的升高不利于单晶金刚石的生长。生长速率测试表明,单晶金刚石的生长速率随I(C2)/I(Hα)比值的增大而增加,当I(C2)/I(Hα)小于0.35时,生长速率呈现指数快速增加,超过这个值之后,增长趋势变缓,生长速率呈线性增加。

种晶表面粗糙度及边部形态对MPCVD法生长单晶金刚石的影响

针对种晶的表面粗糙度和边部形态对MPCVD法生长金刚石单晶的影响进行了研究。结果表明,当样品表面粗糙度Ra值达到0.0066μm时,单晶金刚石沉积层已经可以呈现出较高的结晶质量。当表面粗糙度Ra值达到0.0162μm后,种晶的中心区域受到的影响较小,但种晶边缘区域的沉积却受到了较明显的影响。研究边部形态的实验中,在同一种晶的不同区域抛磨出45°边棱和90°边棱,生长后分别对这两个区域进行了拉曼光谱测试,测试结果表明,90°边棱处1332 cm-1金刚石本征峰的半高宽较小,沉积层质量较好,初步推测90°是更适合的种晶边棱角度。