北京科技大学破解金刚石薄膜开裂难题，5英寸无裂纹良率达到80%

随着高功率激光、红外光学窗口、极端环境电子器件等领域的发展，对高性能光学材料提出了更高要求。金刚石凭借超高热导率、超高硬度、优异化学稳定性以及覆盖紫外至远红外的宽光学透过范围，被认为是最具潜力的先进材料之一。然而，天然金刚石尺寸有限、成本高昂，因此利用化学气相沉积（CVD）技术制备大尺寸高品质金刚石已成为重要研究方向。其中，直流电弧等离子体喷射CVD因沉积速率高、适合大面积生长而受到广泛关注，但金刚石与基底之间的界面失配始终是制约大尺寸无裂纹金刚石稳定制备的关键瓶颈。

近日，北京科技大学李成明教授、魏俊俊等研究团队提出一种基于界面工程的新型复合基底设计，为大面积高质量自支撑金刚石薄膜的规模化制备提供了新的解决方案。相关成果以“Interface engineering for scalable fabrication of high-quality, crack-free diamond films”为题，发表在《Materials Today Physics》。

论文针对传统石墨基底易受高能氢等离子体刻蚀、钛中间层长期生长过程中容易失效、钼基底又难以实现自分离等问题，在石墨基底表面依次沉积钛（Ti）和钼（Mo）两层薄膜，构建出Mo-Ti-Graphite（MTG）复合基底。研究团队围绕这一复合界面，结合直流电弧等离子体喷射CVD实验、生长表征、光谱分析，以及密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟，系统分析了界面结构对金刚石成核、生长、应力调控以及最终自分离过程的影响机制。

研究结果表明，Mo层能够有效抵御高能氢粒子的侵蚀，并促进金刚石稳定成核，同时降低Ti层过度碳化导致的提前失效。Ti层则增强了石墨与Mo之间的结合能力，在沉积过程中提高界面抗应力能力，而在冷却阶段，由于石墨、Ti及其碳化物之间热膨胀系数存在较大差异，应力集中最终促使裂纹优先在石墨-Ti界面产生，使金刚石薄膜能够自行完整脱离基底，实现自支撑结构。理论计算进一步解释了Mo促进金刚石成核、Ti形成碳化物增强界面结合，以及不同界面材料协同调控热应力和断裂行为的机理，为复合界面的设计提供了理论依据。

依托这一界面工程策略，研究团队成功实现了5英寸自支撑金刚石薄膜的稳定生长，无裂纹良率约达80%。其中，制备出的光学级金刚石薄膜平均厚度约1.5 mm，抛光后在10.6 μm波长下的红外透过率达到70.4%，接近天然Ⅱa型单晶金刚石的理论透过水平，同时具有较低氮含量、优异的晶体质量和表面平整度，展现出良好的光学应用潜力。此外，该复合石墨基底经过处理后还可重复利用，有望进一步降低制造成本。

总体来看，这项研究并未着眼于单纯提升沉积速率或优化工艺参数，而是通过界面工程重构基底结构，使界面兼具稳定生长、应力缓释与可控自分离等多重功能，从源头解决了大尺寸金刚石薄膜易开裂、难剥离等关键问题。论文提出的复合基底设计不仅验证了界面调控在高品质金刚石制备中的重要作用，也为大面积光学级自支撑金刚石薄膜的规模化制造提供了一条具有应用前景的技术路径。