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  132020958 2010-10-30 00:00:00

  金剛石具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能：高的硬度、高熱導(dǎo)率、高光學(xué)透過性能、高化學(xué)穩(wěn)定性、寬禁帶寬度、負(fù)的電子親合性、高絕緣性以及良好的生物兼容性等，這使得金剛石成為21世紀(jì)Z具潛力的新型功能材料。但由于天然金剛石稀少且價格昂貴，無法應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中，從而限制了人們對金剛石的應(yīng)用。人造金剛石具有與天然金剛石相同的結(jié)構(gòu)和與之相媲美的性能，而且成本低廉，因此有著廣泛的應(yīng)用和商業(yè)前景。 金剛石結(jié)構(gòu) 金剛石是典型的原子晶體，屬于等軸晶系，它的晶格是一個復(fù)式格子，在一個面心立方原胞內(nèi)有四個碳原子，這四個原子分別位于四個空間的對角線的1/4處。金剛石中碳原子的結(jié)合是由于碳原子外殼的四個價電子2s，2p3的雜化而形成共價鍵（sp3）。每個碳原子和周圍四個碳原子共價，一個碳原子在正四面體的ZX，另外四個同它共價的原子在正四面體的頂角上，ZX的碳原子和頂角上每一個碳原子共用兩個價電子。棒狀線條視為共價鍵。因此得出，正四面體ZX的碳原子價鍵的取向同頂角上的碳原子是不同的。比如：若一個的價鍵指向左上方，則另一個的價鍵必指向右下方。由于價鍵的取向不同，這兩種碳原子周圍的情況也不同，即立方體的頂角及面心上碳原子的周圍情況是不同于在對角線上的四個碳原子的情況。因此，金剛石結(jié)構(gòu)式復(fù)式格子，由兩個面心立方的布喇菲原胞沿其空間對角線位移1/4的長度套構(gòu)而成。 金剛石優(yōu)異性能 由于金剛石特殊的晶體結(jié)構(gòu)，使金剛石具有許多優(yōu)異的性能。諸如在所有的物質(zhì)中具有Z高的硬度（HV≈100GPa）；在30~650℃內(nèi)，是熱導(dǎo)率Z優(yōu)良的固體物質(zhì)20W/（cm•K）；對于高純的金剛石，除紅外區(qū)（1800~2500nm）的一小帶外，對紅外光和可見光都具有非常優(yōu)異的透光性能，可應(yīng)用于短波長光、紫外線的探測器中；金剛石又是良好的絕緣體，室溫下電阻率為1016Ω•cm，摻雜后可成為半導(dǎo)體材料，能制作高溫、高頻、高功率器件；此外還具備許多其他特殊的優(yōu)異性能，如耐腐蝕、抗輻射、耐高溫、化學(xué)惰性等。因此，由于金剛石諸多優(yōu)異的性能使得金剛石在現(xiàn)代化的工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 金剛石制備 高溫高壓(HTHP) [8]法 高溫高壓（HTHP）法Z早是以石墨為原料的，引入適宜的金屬催化劑Fe、Co、Ni、Mn、Cr等，在2000K以上溫度，幾萬個大氣壓下可以合成金剛石。目前，高溫高壓（HTHP）法只能生長小顆粒的金剛石；在合成大顆粒金剛石單晶方面主要使用晶種法，在較高壓力和較高溫度下（6000MPa，1800K），幾天時間內(nèi)使晶種長成粒度為幾個毫米，重達(dá)幾個克拉的寶石級人造金剛石，較長時間的高溫高壓使得生產(chǎn)成本昂貴，設(shè)備要求苛刻。而且HTHP金剛石由于使用了金屬催化劑，使得金剛石中殘留有微量的金屬粒子，因此要想完全取代天然金剛石還有相當(dāng)?shù)木嚯x[9]。 1.3.2化學(xué)氣相沉積(CVD) [10]法 化學(xué)氣相沉積（CVD）法是在高溫條件下使原料分解，生成碳原子或甲基原子團(tuán)等活性粒子，并在一定工藝條件下，在基材（襯底）材料上沉積生長金剛石膜的方法。常見的CVD方法包括：熱化學(xué)沉積（TCVD）法，等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）法。等離子體化學(xué)氣相沉積法又可以分為直流等離子體化學(xué)氣相沉積（DC-PCVD）法、射頻等離子體化學(xué)氣相沉積（RF-PCVD） 法和微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）法及微波電子回旋共振等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（ECR-PCVD）法等。 微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）由于微波激發(fā)等離子體具有無極放電、污染少、等離子體密度高、成本低、襯底外形適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外研究者的普邊關(guān)注。而且其中等離子體是由微波激發(fā)產(chǎn)生，微波能通過波導(dǎo)管傳輸?shù)匠练e生長室，使氣體激發(fā)成為等離子體并分解為各種基團(tuán)。圓筒狀微波等離子體CVD是Z基本的一種裝置，通過矩形波導(dǎo)管把2.45GHz的微波限制在發(fā)生器和生長室之間，襯底經(jīng)微波輻射和等離子體加熱。 微波等離子體CVD法（MPCVD）與熱絲CVD法（HFCVD）相比，避免了HFCVD法中因熱金屬絲蒸發(fā)而對金剛石造成的污染以及熱金屬絲對強(qiáng)腐蝕性氣體（如高濃度氧、鹵素氣體等）十分敏感的缺點(diǎn)，使得在工藝中能夠使用的反應(yīng)氣體的種類比HFCVD中多許多；與直流等離子體炬相比，微波功率調(diào)節(jié)連續(xù)平緩，使得沉積溫度可連續(xù)穩(wěn)定變化，克服了直流電弧法中因電弧的點(diǎn)火及熄滅而對襯底和金剛石的巨大熱沖擊所造成的金剛石晶粒容易從基片上脫落的問題[18]；通過對MPCVD反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可以在沉積腔中產(chǎn)生大面積而又穩(wěn)定的等離子體球，有利于大面積、均勻地沉積金剛石，這一點(diǎn)又是火焰法所難以實現(xiàn)的[19]。因而MPCVD法制備金剛石的優(yōu)越性在目前的制備中顯得十分突出。

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  騏丶維 2010-10-30 00:00:00

  碳的同素異形體，是已知的Z硬的物質(zhì)，有天然和人造兩類。

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