第六章金刚石光学材料VIP免费

第六章金刚石光学材料6.1概述金刚石由于在自然界及其稀少，同时又具有许多独特的性质，因而成为非常昂贵的物质。从19世纪开始科学家就在企图用人工方法合成金刚石。Bundy及其同事[1]成功的用高温、高压技术人工合成了金刚石，开创了金刚石人工合成的新纪元。这种方法是在高温（3000℃）、高压（300MPa）条件下由石墨直接转变成金刚石。在这样的高温高压条件下，金刚石在热力学上是稳定的，而石墨是不稳定的。虽然人工合成了金刚石，这样的金刚石多为尺寸很小的颗粒状。通常在1μm量级，况且这样的设备条件过于苛刻。后来发现用Ⅷ族金属元素做催化剂，在金刚石的合成中压力和温度可以降低，而且合成的金刚石的尺寸可达几百微米。在1958年，Eversole第一次汽相合成了金刚石[2]，将含碳的气体通入放置天然金刚石粉（作为籽晶）的管子中，金刚石粉加热到1000℃且管子保持102Pa压力。在金刚石粉上形成了新的金刚石，其后又逐渐附上一层黑色的石墨层。石墨层的出现妨碍了金刚石的继续生长，把这样的金刚石粉在H2气氛中，5MPa下加热到1000℃，则石墨可以除去，接着继续金刚石生长。金刚石生长过程需要沉积－去石墨反复循环。实验中发现用甲基（CH3－）族，如甲烷、乙烷、丙烷、丙酮等均可生长出金刚石；用不含有甲基的如苯（C6H6）则不能合成金刚石。估计金刚石的生长速率约为0.1nm。于是提高生长速率就成为主要的研究课题。从1960年开始前苏联科学家对于汽相合成金刚石进行了广泛的研究，所采用的实验方法有：碳－氢气热分解、用Xe灯的热分解、辉光放电、热丝方法、化学输运反应以及激光等这些也都能合成金刚石。从这些早期的汽相合成金刚石研究工作中，可以得到如下一些有用的结果：（1）生长温度在1000℃左右。（2）反应剂应该是甲基有机物，如甲烷、丙酮等。（3）在这样低的温度下，石墨在热力学上是稳态，而金刚石则是亚稳态，因而容易产生石墨或非晶碳的共沉积。（4）原子氢的作用，在高温下原子氢能有效除去共沉积的黑色碳。原子氢也可腐蚀金刚石，但其腐蚀石墨的速度要比腐蚀金刚石的速率快几个数量级因而在金刚石的沉积过程中衬底表面引入原子氢能大大抑制石墨的产生，使得金刚石的沉积能持续进行。因而对于金刚石沉积在衬底表面维持超过平衡浓度的原子氢是必要的。在经过30多年的努力，汽相合成金刚石工艺取得了巨大的进展。这主要归因于金刚石是最好的长波红外光学材料，它的高硬度、高热导、高强度特性有广泛的应用。由于金刚石的极好的光学、力学和热学性质，使金刚石成为理想的长波红外窗口和整流罩材料。在耐高温、抗热冲击、抗雨蚀等关键性能上，是其他材料无法比的。正因为有此巨大的潜在应用前景，才促使了大尺寸金刚石研究。相继发展了许多CVD金刚石合成方法。目前，高质量的CVD金刚石红外透过率已经非常接近天然的Ⅱa型金刚石而热导率甚至比Ⅱa型金刚石还高。已经制备出Φ120mm×2.5mm平面光学窗口元件。其表面平整度小于1个光圈，其表面粗糙度Ra<5。已制备出Φ70mm、厚度为0.7mm的导弹整流罩。其外表面椭圆度误差小于2μm，内表面小于10μm。这就是迄今为止用CVD金刚石制备红外光学元件的最高水平［3，4］。金刚石的CVD沉积工艺虽然已经取得巨大的进展。小尺寸CVD金刚石窗口已有出售。但目前CVD金刚石还存在一些问题，距CVD金刚石红外光学窗口和整流罩实用化还有一段距离。①CVD金刚石沉积的尺寸效应，就是小面积的质量很好，而大面积沉积质量差。②生长速率问题。目前较好质量CVD金刚石沉积速率约为1μm/h～2μm/h，沉积效率太低，加大材料成本。提高沉积速率对CVD金刚石实用是至关重要的。③CVD金刚石中存在大的内应力以及大量的微裂纹，它降低了CVD金刚石的强度，而且随着厚度和晶粒尺寸的增加，微裂纹的尺寸伴随着增加，断裂强度降低。④金刚石生长通常是粗糙表面，而且表面粗糙度（以表面颗粒的峰－谷比表示）随厚度而增加。由于它是自然界最硬的材料，对表面后续加工的研磨和抛光带来极大的困难，同样加大了生产成本。为解决上述问题科学家们从金刚石的生长机制、生长工艺以及其后的抛光加工工艺进行更加深入的研究，而且取得了相当大的进展。CVD金刚石常用于...