高功率激光、紅外光學(xué)窗口、極端環(huán)境電子器件等前沿領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)高性能光學(xué)材料提出了更高的性能要求。金剛石具備高熱導(dǎo)率、超高硬度、優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性及紫外至遠(yuǎn)紅外超寬透光波段，是極具應(yīng)用前景的高端光學(xué)材料。受尺寸、成本、產(chǎn)能限制，天然金剛石難以滿足規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用，化學(xué)氣相沉積（CVD）制備大尺寸高品質(zhì)金剛石，已然成為行業(yè)重點(diǎn)研究方向。
其中，直流電弧等離子體噴射CVD技術(shù)沉積效率高、適配大面積薄膜制備，是金剛石合成的主流優(yōu)質(zhì)工藝。但金剛石與基底的界面應(yīng)力失配問(wèn)題，始終造成大尺寸薄膜易開裂、制備穩(wěn)定性差的問(wèn)題，是制約其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)壁壘。
針對(duì)這一行業(yè)痛點(diǎn)，北京科技大學(xué)李成明教授、魏俊俊研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出基于界面工程的復(fù)合基底全新設(shè)計(jì)方案，成功攻克大面積、無(wú)裂紋、高質(zhì)量自支撐金剛石薄膜的規(guī)模化制備難題，為該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了全新技術(shù)路徑。相關(guān)研究成果以“Interface engineering for scalable fabrication of high-quality, crack-free diamond films”為題，正式發(fā)表于知名期刊《Materials Today Physics》。
目前傳統(tǒng)單一基底均存在明顯技術(shù)缺陷：石墨基底易被高能氫等離子體刻蝕損傷，鈦中間層在長(zhǎng)期高溫生長(zhǎng)過(guò)程中易失效剝落，鉬基底則無(wú)法實(shí)現(xiàn)金剛石薄膜的自主剝離，難以制備自支撐金剛石材料。為解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)在石墨基底表面依次沉積鈦（Ti）、鉬（Mo）雙層薄膜，創(chuàng)新性構(gòu)建出Mo-Ti-Graphite（MTG）復(fù)合基底體系。
研究團(tuán)隊(duì)依托直流電弧等離子體噴射CVD沉積實(shí)驗(yàn)、微觀生長(zhǎng)表征、光譜檢測(cè)分析技術(shù)，結(jié)合密度泛函理論（DFT）、分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬計(jì)算，系統(tǒng)性探究了復(fù)合界面結(jié)構(gòu)對(duì)金剛石成核生長(zhǎng)、應(yīng)力調(diào)控及薄膜自分離全過(guò)程的影響機(jī)制，厘清了各功能層的協(xié)同作用機(jī)理。
系列實(shí)驗(yàn)與理論研究證實(shí)，MTG復(fù)合基底的雙層結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)、優(yōu)勢(shì)協(xié)同。其中，外層鉬層能夠有效抵御高能氫粒子的等離子體侵蝕，為金剛石穩(wěn)定成核提供優(yōu)質(zhì)界面，同時(shí)規(guī)避了鈦層過(guò)度碳化引發(fā)的提前失效問(wèn)題；內(nèi)層鈦層可顯著提升石墨基底與鉬層的界面結(jié)合強(qiáng)度，在高溫沉積過(guò)程中增強(qiáng)整體界面的抗應(yīng)力性能。
在制備后期冷卻階段，石墨、鈦及其碳化物之間的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)引發(fā)可控應(yīng)力集中，促使裂紋優(yōu)先在石墨-鈦界面有序產(chǎn)生，讓金剛石薄膜可完整、無(wú)損地自主脫離基底，高效獲得高性能自支撐金剛石結(jié)構(gòu)。理論模擬計(jì)算進(jìn)一步佐證了各界面材料的功能機(jī)制，明確了鉬層促形核、鈦層強(qiáng)結(jié)合、多層結(jié)構(gòu)協(xié)同調(diào)控?zé)釕?yīng)力與斷裂行為的核心原理，為復(fù)合基底的界面設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐。
圖文導(dǎo)讀
圖1. (a) MTG和無(wú)裂紋金剛石薄膜的制備示意圖。MTG的結(jié)構(gòu)表征。(b) 光學(xué)顯微鏡頂視圖；(c)表面形態(tài)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(d) 共聚焦激光顯微鏡圖像；(e) 橫截面圖，以及相應(yīng)的能譜（EDS）圖譜（f）。
圖2. (a) 直流電弧等離子體的圖像。(b) MTG的光學(xué)形態(tài)。(c) MTG上金剛石的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。(d) 生長(zhǎng)在不同基底上的金剛石的拉曼光譜（D：金剛石，G：石墨）。(e) 等離子體的光學(xué)發(fā)射光譜（OES）。(f) CH在Mo (001)上的部分密度泛函理論（PDOS）計(jì)算結(jié)果。(g) CH在Mo (001)表面吸附的電荷差密度。(h)CH自由基在Mo (001)和Ti (0001)表面的吸附能。(i) Mo (001)和Ti (0001)表面的凝聚能。
結(jié)語(yǔ)
依托這套全新的界面工程調(diào)控策略，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了5英寸大尺寸自支撐金剛石薄膜的穩(wěn)定量產(chǎn)制備，薄膜無(wú)裂紋良品率可達(dá)80%，突破了大尺寸制備的質(zhì)量瓶頸。所制備的光學(xué)級(jí)金剛石薄膜平均厚度達(dá)1.5毫米，經(jīng)精密拋光后，在10.6微米紅外特征波長(zhǎng)下的透光率高達(dá)70.4%，基本達(dá)到天然Ⅱa型單晶金剛石的理論透光極限。同時(shí)，該人工合成金剛石具備低氮雜質(zhì)含量、優(yōu)異的晶體完整性與超高表面平整度，光學(xué)綜合性能優(yōu)異，適配高端光學(xué)場(chǎng)景應(yīng)用需求。此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該復(fù)合石墨基底可回收重復(fù)利用，能夠有效降低金剛石薄膜的制備成本，具備極佳的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟(jì)性。
該研究跳出了傳統(tǒng)優(yōu)化沉積速率、微調(diào)工藝參數(shù)的固有研發(fā)思路，通過(guò)重構(gòu)基底界面結(jié)構(gòu)，賦予生長(zhǎng)界面穩(wěn)定成核生長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)應(yīng)力緩釋、可控自主分離的多重核心功能，從根源上解決了大尺寸金剛石薄膜易開裂、難剝離、良品率低的行業(yè)難題。此次提出的MTG復(fù)合基底設(shè)計(jì)方案，不僅充分驗(yàn)證了界面工程調(diào)控技術(shù)在高品質(zhì)金剛石制備中的核心價(jià)值，更為大面積光學(xué)級(jí)自支撐金剛石薄膜的工業(yè)化、規(guī)模化制造，提供了高效、可行、低成本的全新技術(shù)路線。
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