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单晶金刚石车刀在陶瓷基复合材料加工中的应用研究

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模具制造 2024年第4期24卷 65-69页

作者：丁志纯孙剑飞中国航发商用航空发动机有限责任公司上海201316 北京航空航天大学机械工程学院北京100083

介绍了陶瓷基复合材料(CMC)材料材料特点以及在航空发动机中的应用,以及单晶金刚石刀具优势以及在新型材料加工中的应用。通过分析航空发动机尾锥加工工艺,确定主要的加工难点,并通过增加零件工艺过程的刚性,将加工难点聚焦至车削参数... 详细信息

介绍了陶瓷基复合材料(CMC)材料材料特点以及在航空发动机中的应用,以及单晶金刚石刀具优势以及在新型材料加工中的应用。通过分析航空发动机尾锥加工工艺,确定主要的加工难点,并通过增加零件工艺过程的刚性,将加工难点聚焦至车削参数的优化。基于此,设计车削正交试验,得到最佳车削参数。随后进行优化参数的切削对比试验,并验证了其优化参数的切削效果。最后总结了零件工艺过程并提出了实际零件加工过程中切削参数的调整方法。

关键词：陶瓷基复合材料单晶金刚石车削参数正交试验

基于金属催化等离子体刻蚀的MPCVD单晶金刚石生长缺陷调控

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硅酸盐学报 2023年第6期51卷 1374-1380页

作者：李一村文东岳郝晓斌代兵刘本建朱嘉琦韩杰才哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室哈尔滨150080

单晶金刚石作为一种性能优异的半导体材料,在功率器件、深空探测等领域具有广阔的应用前景。然而采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的单晶金刚石通常含有大量的缺陷,尤其是位错,严重限制了其电学性能的发挥。横向外延生长是半... 详细信息

单晶金刚石作为一种性能优异的半导体材料,在功率器件、深空探测等领域具有广阔的应用前景。然而采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的单晶金刚石通常含有大量的缺陷,尤其是位错,严重限制了其电学性能的发挥。横向外延生长是半导体材料中常用的缺陷调控方法,近年也被应用于金刚石材料制备领域。本研究首先通过金属催化等离子体刻蚀在单晶金刚石籽晶上构造图形阵列,从而为同质外延单晶制备创造横向生长条件;随后通过MPCVD法在此基础上进行单晶金刚石制备,研究了横向外延生长过程并对样品进行了激光共聚焦显微镜、偏光显微镜、Raman光谱和缺陷密度测试。测试表明该方法能够稳定可控的制备图形化生长所需的阵列并降低生长层的缺陷密度。

关键词：微波等离子体化学气相沉积单晶金刚石横向外延缺陷调控

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MPCVD同质外延单晶金刚石研究进展

材料导报 2023年第16期37卷 52-59页

作者：董浩永任瑛张贵锋大连理工大学材料科学与工程学院三束材料改性教育部重点实验室辽宁大连116024 河南工业大学材料科学与工程学院郑州450001

微波等离子体化学气相沉积法(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)外延单晶金刚石被认为是制备大尺寸、高质量的单晶金刚石极具前景的技术手段之一。本文首先对MPCVD同质外延单晶金刚石生长机理及最新进展做了简要介绍,... 详细信息

微波等离子体化学气相沉积法(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)外延单晶金刚石被认为是制备大尺寸、高质量的单晶金刚石极具前景的技术手段之一。本文首先对MPCVD同质外延单晶金刚石生长机理及最新进展做了简要介绍,然后着重阐述了MPCVD法制备大尺寸、高质量单晶金刚石在籽晶筛选与预处理、基台结构设计及生长工艺探索等方面的工作,并对MPCVD高品质单晶金刚石在力学、热学、光学及电子学等领域的应用进行了介绍,对未来单晶金刚石的应用前景进行了展望。

关键词： MPCVD 同质外延单晶金刚石生长工艺基台结构设计应用领域

MPCVD高功率外延生长单晶金刚石均匀性研究

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表面技术 2023年第5期52卷 278-287,305页

作者：李廷垟刘繁翁俊张青汪建华熊礼威赵洪阳武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室武汉430205

目的为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,开展了高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长研究。方法利用实验室自主研发的915 MHz-MPCVD装置,在15~37 kW的高功率微波馈入的条件下,研究了在高功率微波等离子体环境中CVD... 详细信息

目的为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,开展了高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长研究。方法利用实验室自主研发的915 MHz-MPCVD装置,在15~37 kW的高功率微波馈入的条件下,研究了在高功率微波等离子体环境中CVD单晶金刚石的均匀生长条件,利用光学显微镜及激光拉曼光谱对所生长的单晶金刚石进行了形貌质量表征,利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行了诊断。结果在保持甲烷体积分数为5%时,当微波功率为15k W时,等离子体球的尺寸较小,并不能完全覆盖直径150 mm的基片台;将微波功率从28 kW提高到37 kW,肉眼所见的等离子体尺寸变化并不明显,但等离子体的能量分布范围有一定的扩大,这意味着在一定的范围内活性基团的能量分布更均匀。在较高的微波功率下,分布于基片台不同区域的单晶金刚石片均能获得较好的层状生长台阶。随着微波功率的提高以及基片温度的增加,分布于基片台不同区域的微波电磁场强度都有所增强,提高了单晶金刚石的生长速率和质量。结论在高功率等离子体环境中,通过大幅度的提高微波功率,可以有效地活化含碳基团,在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高速生长的活性基团。在微波功率为37k W、甲烷体积分数为5%的情况下,将基片温度控制在950℃附近,可以有效地抑制多晶杂质的生成,实现了57片单晶金刚石的批量生长。

关键词：单晶金刚石微波等离子体化学气相沉积高功率均匀性

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单晶金刚石声子非简谐衰减效应研究

人工晶体学报 2023年第3期52卷 442-451页

作者：李斌胡秀飞杨旖秋王英楠谢雪健彭燕杨祥龙王希玮胡小波徐现刚冯志红山东大学新一代半导体材料研究院济南250100 山东大学晶体材料国家重点实验室济南250100 专用集成电路国家级重点实验室石家庄050051 中国电子科技集团公司第十三研究所石家庄050051

随着金刚石作为散热材料在大功率半导体器件、激光器、微波器件和大规模集成电路等领域中的应用愈加广泛,通过对金刚石局部进行精确测温以评价其散热性能是一个重要的研究课题。本文使用拉曼光谱仪对不同掺杂类型的高温高压(HTHP)样品... 详细信息

随着金刚石作为散热材料在大功率半导体器件、激光器、微波器件和大规模集成电路等领域中的应用愈加广泛,通过对金刚石局部进行精确测温以评价其散热性能是一个重要的研究课题。本文使用拉曼光谱仪对不同掺杂类型的高温高压(HTHP)样品和化学气相沉积(CVD)样品在228~678 K进行检测,得到了金刚石样品TO模拉曼峰位、半峰全宽等与温度的一一对应关系,并通过理论计算模型明确了热膨胀、三声子、四声子随温度变化对拉曼峰位、半峰全宽的贡献。理论和实验测试结果发现:不同掺杂以及不同类型样品的拉曼光谱峰位无明显区别;随温度升高,半峰全宽宽化,主要影响因素为声子衰减导致的非简谐效应,同时受载流子的电离率、浓度、类型,以及缺陷和杂质影响;声子寿命主要受到声子的非简谐衰减作用影响,基本不受杂质散射的影响。本研究为金刚石材料的温度检测提供了一种无损、非接触、高空间分辨率的方法。

关键词：单晶金刚石拉曼光谱掺杂温度相关性声子衰减声子寿命

高功率微波等离子体对单晶金刚石同质外延生长的影响

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表面技术 2022年第6期51卷 364-373,398页

作者：张青翁俊刘繁李廷垟汪建华熊礼威赵洪阳武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室武汉430205

目的为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,研究高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长层的影响。方法利用实验室自主研发的915 MHz–MPCVD装置,在20~35 kW高功率微波馈入的条件下,具体研究了高功率等离子体环境中甲烷浓... 详细信息

目的为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,研究高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长层的影响。方法利用实验室自主研发的915 MHz–MPCVD装置,在20~35 kW高功率微波馈入的条件下,具体研究了高功率等离子体环境中甲烷浓度、微波功率及基片温度对单晶金刚石外延生长层的影响。利用光学显微镜、激光拉曼光谱及光致发光光谱对所生长的单晶金刚石进行形貌质量表征,利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行诊断。结果在馈入25 kW的微波功率时,将甲烷的体积分数从6%下降至3%,可以使单晶金刚石更易于出现层状生长结构;保持甲烷体积分数为3%,将微波功率从25 kW提高到35 kW,可以进一步优化单晶金刚石生长的层状结构,提高单晶金刚石的生长质量和生长速率;保持微波功率为35 kW,当甲烷体积分数为3%时,将基片温度从800℃提高到1210℃可以明显提高单晶金刚石的生长速率,但会易于引入非金刚石相;保持甲烷体积分数为3%,将微波功率提高到35 kW,可以在等离子体中激发更多有利于金刚石快速生长的含碳活性基团;当微波功率为35 kW、甲烷体积分数为3%、基片温度为950℃时,单晶金刚石的生长速率可达25.6μm/h,且单晶金刚石的质量及颜色较好。结论在高功率等离子体环境中,即使在相对较低的甲烷浓度下,通过大幅度提高微波功率也可以有效活化含碳基团,在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高速生长的活性基团;基片温度对单晶金刚石中的非金刚石相及颜色具有显著影响,在微波功率为35 kW、甲烷体积分数为3%的情况下,将基片温度控制在950℃附近,可以有效抑制非金刚石相的生成。

关键词：单晶金刚石微波等离子体化学气相沉积高功率高速率

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单晶金刚石微铣刀的飞秒激光制造研究

燕山大学学报 2022年第3期46卷 200-207页

作者：陈俊云刘德辉张圣康靳田野赵智胜燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室河北秦皇岛066004 燕山大学车辆与能源学院河北秦皇岛066004

单晶金刚石是微铣刀的理想刀具材料,但其硬度较高,且微铣刀尺寸较小,传统刀具制造方法难以加工。因此,对基于飞秒激光的单晶金刚石微铣刀制造技术进行了研究。首先计算了单晶金刚石的飞秒激光烧蚀阈值,并分析其材料去除机理。其次利用... 详细信息

单晶金刚石是微铣刀的理想刀具材料,但其硬度较高,且微铣刀尺寸较小,传统刀具制造方法难以加工。因此,对基于飞秒激光的单晶金刚石微铣刀制造技术进行了研究。首先计算了单晶金刚石的飞秒激光烧蚀阈值,并分析其材料去除机理。其次利用微槽加工实验进行了工艺参数的优选,并使用最佳参数制备出了高质量的单晶金刚石微铣刀,其前、后刀面表面粗糙度S_(a)分别为150 nm和176 nm,主切削刃刃口钝圆半径达到2.142μm。微铣削实验结果表明,飞秒激光制造的高锋利度单晶金刚石微铣刀的切削性能较好,且切削刃不易失效。

关键词：单晶金刚石飞秒激光微刀具微铣削

利用发射光谱探究CO_(2)对MPCVD法生长单晶金刚石质量的影响

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真空科学与技术学报 2023年第5期43卷 432-437页

作者：伍正新满卫东贾元波范冰庆林志东武汉工程大学材料科学与工程学院武汉430233 上海征世科技股份有限公司上海271099

等离子体发射光谱作为一种非侵入性等离子体诊断手段能有效探测等离子体内部基团的变化信息,对这些信息的分析可以反映等离子体的特性,从而有助于探究影响单晶金刚石生长结果的原因和机理。CO_(2)是一种比O2更安全的气体,近年来在源气... 详细信息

等离子体发射光谱作为一种非侵入性等离子体诊断手段能有效探测等离子体内部基团的变化信息,对这些信息的分析可以反映等离子体的特性,从而有助于探究影响单晶金刚石生长结果的原因和机理。CO_(2)是一种比O2更安全的气体,近年来在源气体引入CO_(2)生长高质量单晶金刚石的研究日渐增多。本文利用微波等离子体化学气相沉积法在4.2 kW的微波功率下进行单晶金刚石同质外延生长实验,对生长过程中的CH_(4)/H_(2)/CO_(2)等离子体进行了发射光谱诊断,最后结合光谱信息和拉曼光谱表征研究了CO_(2)体积分数对单晶金刚石生长质量的影响,结果发现CO_(2)浓度增加对C_(2)和CH基团强度抑制作用明显,对C_(2)抑制作用最强,这也是导致生长速率下降的主要原因。I(CH)/I(Hα)比值略有增加,说明CO_(2)增加对金刚石前驱物的沉积有促进作用,这在一定程度上减弱了对生长速率的不利影响。拉曼表征结果说明0~5%CO_(2)浓度下的单晶金刚石质量随CO_(2)浓度上升变好,且浓度为5%时,1420 cm−1杂质峰基本消失。

关键词：发射光谱等离子体诊断微波气相沉积单晶金刚石

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MPCVD二维扩大生长单晶金刚石

真空科学与技术学报 2022年第7期42卷 541-546页

作者：高登马志斌武汉工程大学材料科学与工程学院等离子体化学与新材料湖北省重点实验室武汉430073

在MPCVD单晶金刚石同质外延生长中,为实现对等离子体的调控,进而改善单晶金刚石二维扩大生长中表面形貌的均匀性,在单晶金刚石周围放置一中间为方孔的圆形衬环即约束环。结合发射光谱、表面形貌、白光干涉测试及拉曼光谱表征结果研究了... 详细信息

在MPCVD单晶金刚石同质外延生长中,为实现对等离子体的调控,进而改善单晶金刚石二维扩大生长中表面形貌的均匀性,在单晶金刚石周围放置一中间为方孔的圆形衬环即约束环。结合发射光谱、表面形貌、白光干涉测试及拉曼光谱表征结果研究了约束环的尺寸对金刚石均匀性、质量及生长速率的影响。结果表明:在其他沉积参数相同的条件下,增大约束环的直径会降低等离子体中C2基团的浓度,从而降低单晶金刚石的生长速率,但有利于获得高质量的生长面形貌。当约束环的直径从10 mm增加到14 mm时,单晶金刚石的生长速率由10.4μm/h减小到6.4μm/h,单晶生长面上的多晶及丘包状缺陷被完全抑制,拉曼光谱中位于1460 cm-1附近的波包基本消失,单晶质量显著提高。采用直径14 mm的约束环,用同一HPHT种晶的上下两面分别进行二维扩大生长实验,两个面的尺寸分别由3 mm×3 mm扩大至3.82 mm×3.89 mm及3.97 mm×4.07 mm,适当的约束环设置有利于单晶金刚石的侧向外延。

关键词：化学气相沉积单晶金刚石白光干涉表面形貌