單晶金剛石（SCD）具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在制備時(shí)通常需要高功率微波等離子體源，可以通過提高功率或者增加壓力等方式來進(jìn)行制備。然而，在高沉積壓力作用下，微波等離子球的體積不利于制備大尺寸的SCD。為解決此問題，可以采用外延橫向生長的方法來實(shí)現(xiàn)在高壓下大尺寸SCD的橫向擴(kuò)大生長。

       武漢工程大學(xué)馬志斌教授團(tuán)隊(duì)采用具有雙基片結(jié)構(gòu)的微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）裝置，在高壓下（≥20 kPa）對SCD側(cè)向外延的生長進(jìn)行研究。利用發(fā)射光譜在線診斷分析壓力對H2/CH4等離子體基團(tuán)分布均勻性的影響，結(jié)合單晶金剛石外延樣品光學(xué)形貌、Raman表征結(jié)果分析等離子體中基團(tuán)分布對單晶金剛石側(cè)向外延生長的影響。

       結(jié)果表明：當(dāng)壓力為20 kPa時(shí)，等離子體中基團(tuán)沿襯底徑向分布較對稱，單晶金剛石四周呈側(cè)向外延生長模式，整個(gè)生長面及四周無多晶金剛石出現(xiàn)，形貌和質(zhì)量分布均勻；當(dāng)壓力升高至21.5 kPa時(shí)，等離子體球的中心向微波反射端（遠(yuǎn)離微波源方向）偏移，單晶金剛石晶種部分側(cè)邊與等離子體接觸狀態(tài)變差，對應(yīng)的側(cè)邊外圍開始出現(xiàn)多晶金剛石，而位于等離子體包覆區(qū)的晶種側(cè)邊呈側(cè)向外延生長模式。雖然該區(qū)域的側(cè)向生長速率隨氣壓的增加得到了提高，但側(cè)向生長過渡區(qū)域臺(tái)階間距及走向開始變得不一致，晶體質(zhì)量有所下降。由于部分側(cè)邊多晶金剛石外圈的出現(xiàn)，最終生長面有效的側(cè)向外延擴(kuò)大面積并沒有隨氣壓的升高而增加。

       相關(guān)的成果以“Epitaxial lateral growth of single-crystal diamond under high pressure by a plate-to-plate MPCVD”為題，發(fā)表在Functional Diamond 上。

       ?圖文解析

圖1. 在Mo半開放襯底上的 MPCVD 和 SCD 種子示意圖

圖2. 拋光后SCD種子生長的光學(xué)顯微鏡圖像

圖3. 不同壓力下的SCD試樣，(a) 20 kPa;(b) 21.5 kPa;和(c) 23 kPa

圖4. 生長時(shí)SCD邊緣區(qū)域的光學(xué)顯微鏡圖像，(A1-A4) 20 kPa;(B1-B4) 21.5 kPa;(C1-C4) 23 kPa

(a) 在 20 kPa 下生長的角上 SCD 樣品的光學(xué)顯微鏡圖像。(b 和 c) 在樣品 (a) 一側(cè)觀察到的光學(xué)顯微鏡圖像

       ?通訊作者

       馬志斌博士，武漢工程大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。主要從事等離子體技術(shù)與MPCVD金剛石方面的研究。自主設(shè)計(jì)開發(fā)了系列用于金剛石制備、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微波等離子體設(shè)備。開發(fā)的多功能等離子體裝置被100多所高校、研究所及企業(yè)采用。先后主持武漢市科技局晨光計(jì)劃、湖北省自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金及橫向項(xiàng)目20余項(xiàng)。結(jié)合工業(yè)、科研及高校教學(xué)領(lǐng)域?qū)Φ入x子體技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用需求，編寫專著1部。在國內(nèi)外核心刊物上以第一作者和通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，其中SCI收錄論文40余篇，EI收錄論文20余篇。獲授權(quán)發(fā)明專利16項(xiàng)，并有多項(xiàng)專利已得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

       武漢工程大學(xué)等離子體化學(xué)與新材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長期致力于等離子體技術(shù)與CVD金剛石、新能源半導(dǎo)體材料方面的研究。2001年至今，圍繞高質(zhì)量、大尺寸多晶和單晶金剛石制備與應(yīng)用的需要，開展微波等離子體技術(shù)與先進(jìn)微波等離子體化學(xué)沉積裝備的研制工作。開發(fā)出系列等離子體源，微波等離子體射流裝置，熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備，電子回旋共振等離子體設(shè)備和微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）設(shè)備。在MPCVD制備高質(zhì)量、英寸級(jí)金剛石及高端CVD金剛石應(yīng)用等方面取得重要進(jìn)展，具體包括開發(fā)出具有雙基片臺(tái)結(jié)構(gòu)的MPCVD，75 kW級(jí)915 MHz MPCVD，大尺寸單晶金剛石的二維擴(kuò)大生長技術(shù)及納米金剛石真空窗口的制備技術(shù)。團(tuán)隊(duì)成員主持完成了多項(xiàng)國家、省市級(jí)科研項(xiàng)目，包括國家自然科學(xué)基金、國家重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、湖北省自然科學(xué)基金、武漢市科技局晨光計(jì)劃及若干橫向項(xiàng)目等。等離子體化學(xué)與新材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要成員獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，湖北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

       ?文獻(xiàn)信息

       Epitaxial lateral growth of single-crystal diamond under high pressure by a plate-to-plate MPCVD

       Wei Cao, Deng Gao, Hongyang Zhao and Zhibin Ma

       Functional Diamond