金剛石因其卓越的特性而備受珍視。作為最硬的天然材料（莫氏硬度為10），它被廣泛應用于切割、研磨和涂層領域。其高熱導率（2000 W/(m·K)）使其成為散熱的理想材料。金剛石還具有廣泛的光學透過范圍，適用于激光窗口和透鏡。憑借寬禁帶（5.47 eV），它被視為高性能電子學領域的終極半導體。其化學惰性使其能抵御腐蝕，因此在惡劣環境中具有廣泛應用性。這些特性使金剛石在材料科學、電子學、光學和機械工程領域中至關重要。

       微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）是制備高純度、大尺寸單晶金剛石的主流方法，在光學和電子器件領域的應用研究中廣受關注。在該過程中，CH?和H?被認為是生長高純度單晶金剛石的主要前驅體氣體。此外，通過控制等離子體化學和表面反應路徑的改性，戰略性地引入了輔助氣體如N?、O?和Ar，以優化生長動力學和晶體質量。

       二氧化碳（CO?）作為溫室氣體，是溫室效應的元兇。若能將低價值的CO?轉化為高價值的金剛石，將為CO?的資源利用及其高附加值轉化提供途徑。大量研究已探討了CO?添加對金剛石生長的影響。與甲烷（CH?）相比，二氧化碳在等離子體環境中具有較低的解離傾向，同時提供更高的氧碳比。實驗證據表明，若大氣中的氧碳比超過0.3，將對金剛石生長產生強烈的蝕刻作用，導致生長停滯或表面粗糙化。除二氧化碳外，早期研究還探討了多種含氧源對金剛石生長的影響。Bachmann等對C–H–O環境下金剛石沉積的工藝參數進行了統計分析，最終建立了Bachmann圖。該相圖表明，C–H–O系統中可行的金剛石沉積主要發生在三元坐標系中的H–CO連接線附近，當氧碳比超過1時，金剛石生長變得極為困難。此外，有研究指出，當大氣中氧碳比從0.5升至0.909時，單晶金剛石的生長速率從5 μm/h降至約1 μm/h。因此，在高二氧化碳濃度下加速金剛石生長速率對實現二氧化碳制金剛石的工業化至關重要。

       近日，浙江工業大學胡曉君教授團隊使用光學發射光譜輔助優化高二氧化碳中單晶金剛石生長過程。研究成果以“Optical emission spectroscopy-assisted optimization of single crystal diamond growth process in high CO2 content CO2–CH4–H2-Ar atmosphere”為題發表在《 Carbon》期刊。

       氬氣作為金剛石化學氣相沉積中的關鍵輔助氣體，在調節等離子體特性和提升晶體質量方面發揮著重要作用。多物理場模擬和大量實驗已證實，氬氣的加入可顯著提高等離子體中的電子密度和電子溫度，提升CH?和H?的解離效率，促進金剛石沉積所需活性物種的生成，并進一步加速金剛石的生長速率。然而，目前尚無文獻報道在CO?–H?–CH?氣氛中添加氬氣以改善單晶金剛石生長的研究。

       在本研究中，首先利用OES診斷CO?–H?–CH?氣氛下不同Ar流量條件下單晶鉆石的生長過程，探討Ar流量、IC2/IHα值與鉆石生長速率之間的關系。基于實驗獲得的關系，我們進一步利用在各種工藝參數下對等離子體光譜信息的快速檢測，獲得優選的IC2/IHα值，從而實現工藝條件的快速優化。

       氬氣的加入促進了二氧化碳和甲烷的分解，而OES（光學發射光譜）用于診斷金剛石生長過程，并關聯金剛石生長速率與氬氣流量及IC2/IHα值。以高IC2/IHα值作為金剛石快速生長的指標，通過在不同工藝參數下檢測OES信息，可快速優化金剛石生長過程。

       圖文導讀

圖1. (a) 每個樣品生長過程中的光學發射光譜；(b) (a)中灰色區域的放大視圖；(c) 每個樣品中C2和Hα種類的強度；(d) 每個樣品中IC2/IHα值的變化；(e) 樣品的生長速率； (f) 不同功率下各樣品的IC2/IHα值及C2和Hα譜線的強度。

圖2. 每種樣品的光學顯微鏡照片

圖3. (a) 不同氬氣流量下樣品的發光光譜；(b) I(NV?)/I(D) 及生長速率隨氬氣流量變化。

圖4. (a～h) 每個樣品的原子力顯微鏡（AFM）圖像以及 (i) 對應于圖像 a-h 中紅色線條的每個樣品的高度變化；(j) 每個樣品的拉曼光譜；(k) 每個金剛石樣品的拉曼峰位置和半峰寬度。