芯耀
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金刚石因其超高热导率、宽禁带（~5.5 eV）、优异化学稳定性等特性，在高功率电子器件、热管理、辐射探测及量子信息等领域具有重要应用潜力。在制备方法上，化学气相沉积（CVD）是实现大面积金刚石薄膜生长的主流技术。然而，当前技术体系仍存在两个关键限制：
一是衬底材料受限。目前常见的金刚石外延或多晶生长主要依赖于Si、Ir等材料，但这些材料导电性较强，不利于构建电绝缘结构（如横向器件）。
二是必须依赖预处理。在非金刚石衬底上，通常需要机械划伤、种子铺覆或偏压增强成核（BEN）等步骤来提高成核密度，这不仅增加工艺复杂度，也限制规模化应用。
因此，实现“无预处理、绝缘衬底上的直接成核与生长”成为关键技术目标。
近日，来自三菱化学株式会社（Mitsubishi Chemical Corporation）与千叶工业大学的研究团队，在《AIP Advances》发表论文《Chemical vapor deposition of diamond directly on MgO substrates without surface pretreatment》，系统展示了一种无需表面预处理即可在绝缘体衬底上直接生长金刚石的新方法。
该研究围绕一个长期困扰金刚石薄膜制备的问题展开：如何在绝缘衬底上实现高质量、可控的金刚石直接生长，并简化工艺流程。
研究团队选择了氧化镁（MgO）单晶作为研究对象，并重点考察了不同晶面取向对金刚石生长行为的影响。实验选用了（100）、（110）和（111）三种典型晶面，在微波等离子体CVD条件下进行对比研究。
实验采用标准MPCVD工艺，气体为H₂（100 sccm）和CH₄（10 sccm），衬底温度1000℃，压力150 Torr，微波功率1.5 kW。生长前仅用丙酮超声清洗，无任何成核促进步骤。30分钟生长后，扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱结果显示出鲜明差异：在MgO(111)表面，金刚石晶粒密集分布，成核密度超过10⁸ cm⁻²，平均粒径约1 μm，形成连续覆盖；MgO(110)表面仅检测到少量低结晶度金刚石（拉曼1332 cm⁻¹峰较宽）；而MgO(100)表面则几乎无明显金刚石晶粒，仅观察到等离子体刻蚀引起的粗糙化。拉曼光谱进一步证实，MgO(111)和(110)出现清晰的sp³金刚石峰（1332 cm⁻¹），其中(111)面的峰半高全宽仅7.61 cm⁻¹，结晶质量远优于(110)面的66.8 cm⁻¹。缩短生长时间至10分钟和20分钟后发现，(111)面上金刚石在10分钟内已开始成核，密度随时间快速增加，表明成核与生长同步进行。
在进一步的实验中，研究团队将生长时间延长至4小时，成功在MgO（111）衬底上制备出可剥离的自支撑金刚石薄膜。该薄膜为多晶结构，晶粒尺寸达到微米级，其拉曼谱中1332 cm⁻¹峰的半峰宽约为6.35 cm⁻¹，与传统在预处理硅衬底上生长的金刚石薄膜性能相近。这一结果表明，该方法不仅能够实现初始成核，还具备实际薄膜制备能力。
总体来看，这项研究从实验与理论两方面证明了：通过合理选择衬底晶面，可以在无需任何预处理的条件下，实现绝缘材料上的高密度金刚石成核与连续薄膜生长。其中，MgO（111）晶面表现出类似“自激活衬底”的特性，在金刚石CVD过程中同时具备催化与承载作用。这一发现不仅为简化金刚石制备工艺提供了新路径，也为拓展金刚石在电子器件中的应用场景提供了重要支撑。
从产业角度来看，直接在绝缘衬底上生长金刚石，将有助于推动金刚石电子器件向更复杂结构发展，例如横向器件、电隔离结构以及高集成度模块。同时，去除预处理步骤也有望降低制造成本、提升工艺一致性。
图1. 经30分钟CVD生长后的MgO衬底的俯视SEM图像：[(a)和(b)] (100)取向，[(c)和(d)] (110)取向，以及[(e)和(f)] (111)取向。(g) 经30分钟CVD生长后的MgO衬底的拉曼光谱，插图中显示了(111)和(110)取向在1332 cm−1附近区域的放大图
图2. CVD生长后MgO(111)衬底的俯视SEM图像，其中[(a)和(b)]为生长10分钟，[(c)和(d)]为生长20分钟。
图3. （上）CH₃自由基吸附以及通过CH₃自由基在MgO(100)、(110)和(111)表面耦合形成的C₂H₆分子脱附的计算能图，分别用红色、绿色和蓝色曲线表示。能量以MgO表面与CH₃自由基的解离能为基准进行测量。所有能量单位均为eV。（下）吸附在MgO (100)、(110)和(111)表面上的CH₃自由基的优化结构，图中标出了CH₃中的C原子与MgO表面中的Mg原子之间的平均距离。白色、棕色、红色和金色球体分别代表 H、C、O 和 Mg 原子。结构可视化采用 VESTA 软件完成
图4. (a) CVD处理后的MgO (111)衬底照片，以及(b) 悬浮金刚石薄膜的照片。[(c) 和 (d)] 悬浮金刚石薄膜的俯视SEM图像。
