钻石-使用等离子体喷射反应器快速生产合成钻石

主题

概述

背景

人造钻石的微波生产

使用等离子体喷射反应器增加沉积速率

提高的过程

概述

用等离子体射流反应器代替传统的微波反应器，可将人造金刚石的合成速度提高10-100倍。金刚石层用于耐磨涂层、红外摄像机、钻头和激光二极管。

背景

在过去的20年里，科学家通过称为化学气相沉积（CVD）的过程成功地在实验室中成功地制作了“人造”钻石的薄膜。这种材料的应用包括用于钻头的坚韧涂层，用于探测地震后被埋在废墟中的幸存者的红外摄像机窗口，以及用于激光二极管等大功率电子元件的散热装置。

现在，布里斯托尔大学和戴比尔斯工业钻石学院的迈克·阿什福德教授和他的团队正在解开与金刚石薄膜快速生长有关的一些复杂化学过程。

人造钻石的微波生产

钻石是碳的一种形式，在自然界中通常以单晶体的形式被发现。然而，CVD金刚石是“多晶”的——它由许多非常小的融合在一起的晶体组成。在实验室中制造多晶金刚石的一种方法是将甲烷(其中含有碳)和氢的混合物放置在微波反应器中。微波能将氢分解成高度活跃的原子，这些原子反过来与甲烷发生反应，产生含有活性碳的分子碎片，称为自由基。这种气体混合物，也包括许多带电或电离的物质，被称为等离子体。含碳的自由基落在要被包裹的材料上，在适当的条件下，碳原子形成适当的化学键，形成结晶钻石。

使用等离子体喷射反应器增加沉积速率

迈克·阿什福德教授说:“用这种方法，大约需要一个小时才能制造出一层一微米厚的钻石。”“为了制造耐磨涂层，人们通常需要几十微米厚的涂层;对于红外摄像机的窗户来说，几毫米的厚度会更好。”加速该过程的一种方法是使用称为等离子体喷射反应器的装置。氩等离子体的射流通过直径约2毫米的孔径通过高速度。加入氢气和甲烷。该系统在非常高的温度下产生非常高的等离子体射流。等离子射流提供了蛮力方法：气体压力和流速较高，功率输入较大，导致速率下的金刚石薄膜生长比微波反应器大10-100倍。然而，晶体质量通常不太好。

提高的过程

现在，使用复杂的光谱技术，该团队能够在等离子体喷射内映射各种关键的含碳物种的浓度，以便更好地了解该过程，从而优化生产更高质量所需的实验条件钻石层多次常规系统的速率。

资料来源:工程和物理科学研究委员会。亚博老虎机网登录

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