CVD金刚石大单晶外延生长及高技术应用前景_吕反修

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收稿日期:2013-03-11
作者简介:吕反修(1943-)，男，四川泸州人，教授，长期从事CVD 金刚石膜及相关材料的制备、表征及应用研
究，
已在国内外学术刊物和会议上发表论文360余篇，获国家发明专利16项。

联系电话:010-********，
E-mail :fxlu@mater．ustb．edu．cn CVD 金刚石大单晶外延生长及高技术应用前景
吕反修1，2，黑立富1，2
，刘
杰1，宋建华1，2，李成明1，唐伟忠1，陈广超
1
(1．北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083;2．北京普莱斯曼金刚石科技开发有限公司，北京100083)
摘
要：CVD (化学气相沉积)金刚石大单晶生长是CVD 金刚石膜研究领域在过去十余年中所取得的重大
技术进展之一，在一系列高新技术领域有极其重要的应用前景。

针对CVD 金刚石大单晶的制备和
应用进行了综述。

首先对CVD 金刚石大单晶生长技术进行了概括性的描述，然后对CVD 金刚石单晶制备方法进行详细介绍和评述。

并对CVD 大单晶在高性能辐射(粒子)探测器、金刚石高温半导体器件、高压物理试验、超精密加工以及在首饰钻戒等方面的应用现状与前景进行了介绍与评述。

最后针对CVD 高仿钻戒与天然钻戒的鉴别进行了评述，并提出了新的建议。

关键词：金刚石大单晶;化学气相沉积(CVD );外延生长;高技术应用
中图分类号：O635．1;O484．1文献标识码：A 文章编号：1008-1690(2013)05-0001-12
Epitaxial Growth of Large Size Single Crystal Diamonds Prepared by
CVD Technique and the Prospect in High Technology Applications
LYU Fanxiu 1，2，HEI Lifu 1，2，LIU Jie 1，SONG Jianhua 1，2
，LI Chengming 1，
TANG Weizhong 1，CHEN Guangchao 1
（1．School of Materials and Engineering ，University of Science and Technology Beijing ，Beijing 100083，China ；
2．Beijing Plasma Diamond Technology Ｒ＆D Co．，Ltd．，Beijing 100083，China ）
Abstract ：Growth of large size single crystal diamonds prepared by chemical vapor deposition （CVD ）is one of the most important technological achievements in the research field of CVD diamond films over the past ten years ，which is of extremely importance in a series of high technology application fields．The purpose of the present paper is to give a general review to the preparation and application of large size CVD single crystal diamonds．Firstly ，the growth technologies are generally explained．Then a detailed introduction to the deposition method is presented ，with a particular emphasis on the microwave plasma CVD and the high power DC Arc Plasma Jet．The present status and future trends in the application fields in the high performance radiation （particle ）detectors ，high temperature semiconductor device ，high pressure experimental physics ，ultra-precision cutting tools ，as well as CVD single crystal jewelries are reviewed．Particularly ，the existing methods for identification between the high imitation CVD diamonds and the natural diamonds are discussed and commented．New suggestions are made which may help to increase the identification confidence limit．
Key words ：large size single crystal diamond ；chemical vapor deposition （CVD ）；epitaxial growth ；high technology applications
0引言
CVD （化学气相沉积）金刚石大单晶生长是
CVD 金刚石膜研究领域在过去十余年中所取得的
重大技术进展之一
［1-2］。

与高温高压（HPHT ）技术
合成金刚石大单晶的区别在于，
HPHT 技术是采用两面顶压机（国外普遍采用）或六面顶压机（国内普
遍采用）所产生的高压（几千到数万大气压）和高温
（2000ħ以上），以及在适当催化剂的共同作用下，将石墨转变为金刚石（金刚石颗粒（粉末），也可生长成大尺寸单晶）。

而CVD技术则是采用气体原料（主要是氢气和甲烷），在等离子体或高温的作用下，在低于1个大气压和衬底温度800 1200ħ的条件下，在金刚石单晶（HPHT合成，或天然金刚石）衬底上以气相外延生长的方式获得大尺寸金刚石单晶。

HPHT技术所生长的金刚石单晶，一般情况下均含有相当数量的氮，因此呈现黄色。

CVD技术所生长的高质量金刚石单晶，可达到完全无色透明，几乎没有任何杂质。

正因为如此，CVD金刚石单晶除和HPHT单晶一样可用作超精密切削工具外，还可用于金刚石高温半导体器件［3-4］，量子计算机［5］，高性能辐射（粒子）探测器［6-7］，光学窗口［8］，高压物理实验压砧［9-10］以及金刚石首饰（钻戒）［11］。

金刚石外延生长研究可以追溯至上世纪80年代，但直至2005年前后，由于高压微波CVD沉积设备和技术的进展，CVD金刚石大尺寸高质量金刚石单晶外延生长才取得重大突破，开始在市场上出现。

目前CVD金刚石单晶的最大尺寸已达12．5mmˑ12．5mm，最大重量超过10克拉，最高生长速率达到150μm/h，最低杂质含量低于1ˑ10－6（大约在数十至数百ppb（十亿分之一）量级）。

马赛克单晶（多个单晶同时生长拼接而成）尺寸已达25．4mm。

从2012年下半年开始，国外的“高仿钻石”（CVD钻石）开始批量流入国内市场冒充天然钻石销售，由于一般的消费者和销售商，甚至一般的研究机构均无法将其与天然钻石区分，已引起部分消费者和相关管理及监控部门的恐慌。

为此，本文对CVD金刚石大单晶的外延生长，以及应用现状与前景进行了比较详尽的介绍。

特别是对CVD钻石与天然钻石的鉴别进行了讨论，希望能对CVD金刚石膜及超硬材料业界同行和相关领域研究人员、应用部门，以及钟爱钻戒的广大消费者有所裨益。

1CVD金刚石大单晶生长
1．1概述
CVD金刚石单晶生长并非易事，需要对单晶衬底（晶种）选择，衬底表面预处理，生长设备和工艺，生长后热处理工艺，单晶外延生长层与晶种分离工艺等一系列工艺技术环节进行控制和优化才能奏效。

CVD金刚石单晶生长一般选用高温高压（HPHT）合成的金刚石单晶片作为衬底（晶种），严格要求晶种的取向为（100），不允许存在其他取向的生长区域（Growth Sectors）。

这是因为（100）取向外延生长的晶体质量最高，而其他生长取向，如（111）取向生长，则容易产生大量的孪晶、层错和位错。

除HPHT合成金刚石单晶外，天然金刚石单晶和CVD金刚石单晶也可用作CVD金刚石外延生长的衬底。

除要求单晶衬底必须具有严格的（100）取向外，衬底的表面质量对金刚石单晶外延生长也有很大的影响。

单晶表面的研磨加工不可避免地会产生细微的划痕以及亚表面的损伤，必须采用H2-O2等离子体预处理去除，否则将严重影响CVD金刚石外延生长层的质量。

近期的研究［12］发现，晶种取向稍微偏离（100）取向（约1ʎ 3ʎ），而不是严格的（100）取向，反而有助于获得表面非常平整的金刚石单晶外延层。

这是因为，台阶生长是CVD金刚石单晶外延生长的主要方式，而适当偏离（100）取向有助于减小生长台阶的高度和形貌。

这一技术被称为“Off-angle growth”。

迄今，微波等离子体CVD技术仍然是国内外最普遍采用的CVD金刚石单晶外延生长方法，但从2012年起已不再是唯一的技术方法。

北京科技大学采用高功率直流电弧等离子体喷射（DC Arc Plasma Jet）CVD技术已经生长出克拉级CVD金刚石大单晶。

其他CVD金刚石膜沉积技术，如热丝CVD，虽然也有关于CVD金刚石单晶生长的研究报道，但并非严格意义上的金刚石单晶外延生长。

为了提高CVD金刚石外延生长速率及稳定（100）取向生长，在绝大多数情况下，都采用了向沉积气氛中人为地引入氮的方法。

因此，在一般情况下，高速生长的CVD金刚石单晶都含有一定量的氮，往往呈现浅黄色。

但研究发现，通过生长后的高温高压（HPHT）或高温低压（LPHT）处理可以使浅黄色的CVD金刚石单晶变成完全无色透明，其色泽和光谱学、热学及其他物理化学性能与天然Ⅱa型金刚石（钻石）几乎没有任何区别。

这就是为什么除非专业研究结构，CVD钻石（所谓“高仿钻石”）难以与天然钻石区分的缘由。

实际上，HPHT或LPHT处理并没有改变CVD钻石的化学成分或晶体结构，改变的仅仅是杂质氮在金刚石晶格中聚集的形态而已。

这在后面关于高仿钻石与天然钻石的鉴别的小节中还要详细讨论。

CVD金刚石单晶的尺寸仅受单晶衬底（晶种）尺寸的限制，有多大晶种就能生长多大的CVD金刚
石单晶。

遗憾的是，目前HPHT单晶晶种的最大尺寸仅为8mmˑ8mm，这也是CVD金刚石单晶尺寸的极限。

通过侧向生长技术虽然可以扩大CVD金刚石单晶的尺寸，但相当困难，到目前为止，通过侧向生长技术所能达到的最大尺寸仍然停留在12．5mmˑ12．5mm。

CVD金刚石单晶生长不同于其他绝大多数人工晶体的生长，其他晶体大都是越长越大（从一个很小的仔晶长成为一个很大的晶体），而CVD金刚石单晶却是越长越小。

因此把多个单晶晶种拼接生长成“马赛克”大单晶也不失为一个好主意。

大厚度单晶的制备也不比大尺寸单晶容易，这将在大尺寸CVD金刚石单晶小节作更详细的介绍。

CVD金刚石外延生长单晶层与衬底（晶种）的分离也需要专门的技术。

文献中报道最多的是所谓“Lift-off”方法，其本质是利用离子注入在晶种亚表面形成的损伤层，在生长后利用化学方法从已经石墨化的损伤层分离。

但是“Lift-off”方法仅适用于外延层厚度不大的情况（0．2 0．3mm以下），对于大厚度的多晶层，还必须采用激光切割的方法分离。

1．2微波等离子体CVD技术
微波等离子体的产生依靠的是微波电场对前驱气体（H2-CH4）的激励，是一种无电极放电现象。

因此对于良好设计的微波腔体，几乎不存在电极或腔体壁面（如石英钟罩）的污染。

微波放电十分稳定，因此常用于极高质量（光学级和电子级）金刚石膜的制备。

但是，早期的微波等离子体CVD装置由于工作压力范围较低，等离子体功率密度较小，不能满足高质量CVD金刚石单晶外延生长的要求。

上世纪末期出现的高气压微波等离子体CVD技术把工作气压从1 5kPa提高到了10kPa以上。

随着微波工作压力的大升高，耦合功率随之增加，等离子体球急剧收缩（见图1［13］），等离子体功率密度大幅上升，从而能够提供极高原子氢浓度，达到CVD金刚石单晶高质量、高速率外延生长的目的。

从图2可以看出，当腔压从5kPa（50mbar）升高到30kPa （300mbar）时，原子氢浓度升高达3 4个数量级。

图2上方方框中的公式引自Goodwin［14］，其涵义是CVD金刚石的缺陷密度（金刚石质量的描述是，缺陷密度越低，质量越高）与生长速率成正比，与原子氢浓度的平方成反比。

因此原子氢浓度是金刚石膜气相沉积的决定性因素，随着原子氢浓度的升高，不仅金刚石膜质量提高，而且沉积速率也随之增加。

热丝CVD、DC Arc Plasma Jet、火焰沉积（Combustion Deposition）等常用CVD金刚石膜沉积方法也在图2中示出。

图2中未标注的矩形方框是北京科技大学旋转电弧等离子体DC Arc Plasma Jet技术的操作范围，大致与高压微波CVD重叠。

（a）8kPa（b）32kPa
图1气体压力对微波等离子体球尺寸和色泽的影响（微波功率为1．8kW，
图中隐约可见的圆圈为谐振腔壁上的观察孔，其直径约为6mm）
Fig．1Effect of the chamber pressure on the size and color of the microwave plasma ball（microwave power is1．8kW，the weak diffuse circle is the observation hole which is about6mm in diameter）
微波等离子体CVD金刚石单晶外延生长工艺
参数范围大致为：压力15 40kPa，衬底温度
900 1200ħ，甲烷浓度1% 20%，N
2
/CH
4
0%
2%。

微波功率一般在5kW以下。

添加N
2
的目的
是提高单晶外延生长速率，并稳定（100）取向生长。

文献报道的最高生长速率为150m/h［15］。

但由于
氮的进入，所生长的金刚石单晶呈现浅黄色-褐色。

在不添加氮，且采用较低甲烷浓度（为获得较高质
量单晶）的情况下，生长速率仅为每小时几个μm。

最高质量的CVD金刚石单晶完全无色透明，Ｒaman
半高宽约为1 2cm－1，X射线金刚石（400）衍射峰
摇摆曲线半高宽小于10个弧秒，杂质氮含量仅为十
亿分之一量级，其品质超过天然Ⅱa型金刚石单晶
（钻石）。

图2微波等离子体CVD 装置的操作范围（图中的空白方框是本文作者引入的，表示北京科大DC Arc
Plasma Jet 的大致操作范围）
Fig．2Operation map for microwave plasma CVD diamond film deposition （the open square was inserted by
the present authors indicating the approximate operation range for DC Arc Plasma Jet ）
由于微波放电的“边沿效应”，有可能造成单晶
衬底边沿的温度远高于内部区域温度，
因此一般情况下都不能把单晶衬底直接放在沉积台上，而必须
采用如图3左所示的方法使单晶衬底表面与沉积台表面高度相当，或略低。

否则将严重影响外延生长
表面质量，见图4［16］。

但当单晶衬底表面低于沉积台表面时会显著降低单晶外延生长速率。

图3
单晶衬底在沉积台上的放置方式
Fig．3
Schematic of the substrate holder for single crystal
diamond growth
1．3直流电弧等离子体喷射（DC Arc Plasma Jet ）CVD 技术
DC Arc Plasma Jet 电弧放电温度可高达20000K
以上，气体的离解非常充分，可达到非常高的原子氢
浓度，是一种公认的金刚石膜高速率、高质量沉积方法
［17］。

但由于通常的DC Arc Plasma Jet 沉积面积很小，电弧放电均匀性和稳定性较差，以及有可能造
成电极污染等原因，此前国内外均认为不适合CVD 金刚石单晶外延生长。

但是，北京科技大学在863计划，“八五”和“九五”和“十五”计划重大项目和其他专项支持下，
经历十几年研发和改进的高功率
图4图3所示两种放置方式对金刚石外延生
长表面质量的影响
Fig．4
Effect of the substrate holder on the surface quality of the epitaxial growth
旋转电弧气体循环DC Arc Plasma Jet 系统，成功地
解决了大面积均匀、高速率、高质量金刚石膜沉积难题，具备能够制备大面积工具级、热沉级和光学极
金刚石自支撑膜的能力
［18-20］。

由于采用DC Arc Plasma Jet 可以在较低的压力下，在很大的衬底面积上获得很高的原子氢浓度，因此完全有理由相信，这
一技术不仅有可能用于高质量CVD 金刚石单晶外延生长，
而且还有可能实现大量CVD 单晶的批量沉积，从而大幅度降低CVD 金刚石单晶的制备成本。

经过不到3年的努力，目前基本上解决了采用DC Arc Plasma Jet 生长大尺寸高质量CVD 金刚石单晶的关键技术问题。

图5所示为采用30kW 级工业化生产设备制备的大尺寸（7．5mm ˑ7．5mm ˑ1．03mm ）CVD 金刚石单晶，四周有一层多晶金刚石膜包围，其中心为外延生长区域，可见明显的生长台
阶（图5（a ））。

去除衬底抛光后接近完全无色透明
（图5（b ））。

值得指出的是，采用微波等离子体CVD 也同样无法避免四周多晶层的出现，而且由于微波放电的边缘效应，
情况更为严重。

但这个多晶层最终可轻易用激光切割去除。

图6为图5所示CVD 金刚石单晶的X 射线衍射摇摆曲线（400）衍射
峰（a ）和UV-VIS （紫外-可见-近红外）透射谱（b ）。

可见其（400）衍射峰半高宽仅为10弧秒，且在紫外和可见光谱区域透过率明显高于HPHT 晶种。

这是因为CVD 金刚石单晶含氮量很低（从270nm 吸收
峰估计约为6．7ˑ10－6
），而HPHT 晶种含氮量高达数百ˑ10
－6。

从图5和图6可见其质量与天然Ⅱa 型金刚石单晶（钻石）没有什么区别。

图7所示为一次生长数粒金刚石单晶的情况，图7（a ）所示为一次生长4粒大尺寸单晶时的电弧状态，在拍摄照片
的瞬间，电弧正好旋转到左面；图7（b ）为两粒大尺寸CVD 单晶（7mm ˑ7mm 和6mm ˑ6mm ）同时沉积的结果，其四周为在Mo 样品台上同时生长的多
晶金刚石厚膜。

Mo 样品台的尺寸为 65mm ，至少可放置数十粒大尺寸金刚石晶种。

以上结果已部分
发表，系国内外关于采用DC Arc Plasma Jet 成功制
备大尺寸CVD 金刚石单晶的首次报道，见文献［
21-22］。

上述结果并不奇怪，这是因为采用电弧放电比微波放电更容易在大面积范围获得高原子氢浓度（见图2中的未标记方框）。

显然，采用DC Arc Plasma Jet 更有可能实现CVD 金刚石单晶的批量生长，无疑对降低制备成本很有意义。

（a ）未抛光；（b ）去除衬底并初步抛光（7．5mm ˑ7．5mm ˑ1．03mm ，质量1．014克拉），在抛光过程中因应力出现裂纹
（a ）As-grown ；（b ）Separated from the substrate and polished
（7．5mm ˑ7．5mm ˑ1．03mm ，1．014carat ），which was fractured during the polishing process
图5采用30kW 级DC Arc Plasma Jet 制备的CVD 金刚石单晶片Fig．5
CVD single crystal diamond plate prepared by 30kW DC Arc Plasma
Jet
图6图5所示CVD 金刚石单晶的X 射线衍射摇摆曲线（400）衍射峰（a ）和UV-VIS 透射谱（b ）Fig．6
Ｒocking curve of the diamond （400）diffraction peak （a ）and the UV-VIS transmission spectra
（b ）of the CVD diamond single crystal plate shown in Fig．
5
图7（a ）一次生长4粒金刚石单晶（注意电弧正好旋转至阳极喷口左面）和（b ）两粒大尺寸（7mm ˑ7mm 和6mm ˑ6mm ）CVD 金刚石单晶，其四周为在Mo 样品台同时生长的多晶金刚石厚膜
Fig．7
（a ）4crystals growing at one time （the arc root just rotated to the left side of the anode exit ）and
（b ）two large size diamond single crystals （7mm ˑ7mm and 6mm ˑ6mm ）with the surrounding polycrystalline diamond film which was growing simultaneously
1．4
其他生长技术
采用火焰沉积（Combustion deposition ）方法虽然也有可能获得较高的原子氢浓度，但由于沉积均匀性较差，
不易控制及成本很高等原因，至今没有见到关于高质量大尺寸CVD 金刚石单晶外延生长的报道。

热丝CVD 虽然应用十分普遍，但热灯丝的温度太低（1800 2200ħ），根本无法获得高原子氢浓度，不适合高质量大尺寸金刚石单晶外延生长。

现有文献中关于采用此法进行金刚石外延生长的个别报道，均为在异质衬底上生长（100）大晶粒金刚石
膜的研究，最大晶粒尺寸仅为数百μm 左右［23］，且晶体质量较差，没有什么实际意义，与本文关于大尺
寸高质量金刚石同质外延生长没有联系。

1．5大尺寸CVD 金刚石单晶
这是大家普遍关心的问题。

遗憾的是，
CVD 金刚石单晶尺寸受晶种尺寸的制约。

目前国外最大尺寸的HPHT 金刚石单晶片尺寸仅为8mm ˑ8mm ，因此CVD 金刚石单晶也被限制在这个尺寸。

CVD 金刚石单晶的生长与其他晶体的生长不同，其他晶体基本上都是从很小的晶种（仔晶）生长成很大的晶体，即越长越大，而CVD 金刚石单晶却是越长越
小，如图8（a ）所示［24］。

为了获得更大尺寸的金刚石单晶，有人提出采用图8（b ）所示的“侧向生长”方法，即采用依次在（100）和（010）方向生长来扩大CVD 金刚石单晶的尺寸。

目前采用此法所得到的最大尺寸CVD 金刚石单晶为12．6mm ˑ13．3mm ˑ
3．7mm ，见图8（c ）
［25］。

（a ）金刚石单晶越长越小；（b ）侧向生长；（c ）12．7mm 金刚石单晶［24-25］
（a ）Diamond single crystal is growing smaller and smaller ；（b ）Enlargement by lateral growth ；（c ）12．7-mm-diam single crystal ［24-25］
图8
扩大CVD 金刚石单晶尺寸示意图
Fig．8
Schematic of the enlargement of CVD diamond single crystal
CVD 金刚石单晶越长越小主要是因为无法避免在晶种四周同时生长多晶层（见图5和图7），而
且随着单晶外延生长层厚度的增加，多晶层有可能同时向外和向内生长。

除了在四周出现多晶层外，在内部外延生长区域有可能出现非外延生长金刚石晶粒（见图7（b ））。

因此，不得不采用多次重复生长-加工的方法来获得大厚度的CVD 金刚石单晶。

如图9所示的CVD 金刚石单晶，厚度达10mm ，重约4．65克拉，系经过24次重复生长获得，平均每次生长仅增厚约400μm 。

正因为如此，目前大尺寸CVD 金刚石单晶价格十分高昂。

扩大CVD 金刚石单晶尺寸的另外一种方法是
生长所谓的
“马赛克单晶”。

如图10所示，其第一个步骤是采用所谓“Lift-off ”技术［26］
从一片晶种“复
制”
大量的CVD 单晶片，然后把所复制的CVD 单晶片拼在一起，经过外延生长即可获得大尺寸“马赛克单晶”。

而所谓的“Lift-off ”技术，首先采用碳离子注入的方法在晶种的亚表面形成一个损伤层，在金刚石外延生长温度（900 1200ħ）下损伤层被石墨化，因此在沉积结束后可被加热的氧化性酸溶液溶解，从而将外延层与晶种分离。

目前获得的“马
赛克”
金刚石单晶尺寸已接近20mm ˑ22mm ［26］。

显然“马赛克”不是真正意义上的单晶，仍然存在晶
界和位于晶界附件的生长缺陷。

利用“Lift-off ”技术可以在“马赛克”单晶上“复制”相同尺寸的“马
赛克”晶片，这对于电子学应用很有意义，将在CVD 金刚石单晶的应用前景一节作更为详细的叙述。

图9
重复生长24次获得的高度达10mm 、重约4．65克拉的CVD 金刚石单晶
Fig．9
10mm high CVD single crystal diamond weighing about 4．65carat obtained by repetitive growing 24
times
（a ）制备流程示意图
（b ）25．4mm 马赛克单晶
（a ）Schematic for the manufacturing process
（b ）25．4mm “mosaic ”diamond single crystal
图10“马赛克”金刚石大单晶Fig．10
Large size “mosaic ”diamond crystals
2
CVD 大单晶的应用现状与前景
2．1
超精密加工
这是目前CVD 金刚石单晶最重要的市场应用。

金刚石单晶（SCD ）刀具在加工有色金属材料，如铝（合金）和铜以及高分子材料时，能获得Ｒa 2nm 的表面粗糙度，其平均高差仅相当于10 15个原子层厚度。

采用SCD 单晶车削即可达到精密磨削的精度和表面粗糙度（Ｒa 0．1μm 以下），是其他任何
工具材料所无法比拟的，
因此已在航空航天、精密仪器仪表等任何需要超精密加工的场合广泛应用。

目
前E6公司仍然是CVD 金刚石刀片（见图11）的主
要生产和销售商。

据传由于加工iPhone5的需求，去年下半年CVD 金刚石单晶刀片在全球范围内断货，国内甚至连HPHT 合成金刚石单晶也全面脱销。

目前，
CVD 金刚石单晶刀片价格太高导致产能不足可能是出现上述问题的主因。

而大幅度降低CVD 金刚石单晶制备成本才是解决问题的根本办法。

值得一提的是，HPHT 单晶刀片价格同样不菲，产能很
低，不能满足目前市场对金刚石精密切削工具的需求。

CVD 金刚石单晶在经过HPHT 处理后韧性大
大提高，
因此加工性能优于HPHT 金刚石单晶工具。

但目前这两者产量都不大，还没有形成彼此竞争的
局面。

图11（a ）E6公司生产的CVD 金刚石单晶刀片和（b ）用于加工隐形眼镜的单点式金刚石单晶刀具Fig．11
（a ）Single crystal CVD diamond tool blanks made by E6Co．and （b ）single point CVD diamond cutting tool for the precise cutting of the contact lenses
2．2粒子（辐射）探测器
与传统的硅基探测器相比，金刚石探测器具有灵敏度高，暗电流小，以及极端抗辐射损伤，使用寿命长等优点。

这是由金刚石的禁带宽度很大（5．45eV），金刚石晶格碳-碳原子间距非常小，共价键键能很高，且碳原子对高能粒子辐射吸收截面非常小等本征因素决定的。

金刚石辐射探测器实际上是一个大家族，包括粒子（中子、质子、γ射线等）探测器，X射线探测器及紫外探测器等。

金刚石辐射探测器按所用的探测材料来分，又可分为金刚石膜基探测器和金刚石单晶阵列探测器。

前者使用质量极高的电子级（探测器级）多晶金刚石自支撑膜，而后者则使用CVD金刚石单晶作为探测器材料。

金刚石辐射探测器特别适用于核聚变堆（托卡马克），核裂变堆，激光核聚变试验，以及空间环境辐射探测等研究。

国外一个典型的重大工程应用就是位于瑞士和法国边境的强子对撞机的Alice和Atlas探测器。

2012年曾公开向全世界招标采购大面积高质量探测器级金刚石膜和大尺寸CVD金刚石单晶，用于强子对撞机探测器的升级改造。

国内拟议中的深空探测计划也对金刚石辐射探测器提出了需求。

从最近几年的发展趋势看，CVD金刚石单晶阵列式探测器有可能取代多晶金刚石膜基探测器成为未来高性能金刚石辐射探测器的主流。

2．3金刚石高温半导体器件
金刚石是最优秀的宽禁带高温半导体材料，远非GaAs、GaN和SiC可比拟。

但由于20多年来在金刚石单晶异质外延研究方面一直未能取得突破性进展，严重地制约了金刚石半导体的应用。

无论国内与国外，面对此一令人失望的局面，都把宽禁带高温半导体研究的主流放在了性能较低的SiC而非性能更高的金刚石。

这是因为，大尺寸SiC单晶生长比金刚石单晶更容易，而且更易与现存的半导体硅技术兼容。

但是，金刚石高温半导体研究并未停顿，除继续进行大面积异质外延研究外，一个明显的趋势是将研究的重点改为CVD金刚石单晶。

这主要得益于在CVD金刚石单晶和金刚石n-型掺杂两方面的进展。

目前采用大尺寸CVD金刚石单晶已经获得高达1150cm2/V的迁移率［3］。

但目前的CVD 金刚石单晶尺寸仅能满足芯片级（chip scale）高温半导体器件的研制。

鉴于在扩大CVD金刚石单晶尺寸方面遇到的严重困难，Yamada等提出了采用“马赛克”金刚石单晶研发大尺寸晶片级（wafer scale）CVD金刚石单晶的技术路线（见图10）。

其实质是通过外延生长把单个的金刚石半导体芯片级尺寸衬底拼接成为晶片级尺寸。

经过短短2年多的努力，“马赛克”金刚石单晶晶片的尺寸已经达到20 mmˑ22mm（见图10）。

“马赛克”单晶虽然仍然存在晶界以及邻近晶界位置的生长缺陷，但并不影响在各个单晶片上制备半导体器件。

一旦“马赛克”金刚石单晶尺寸达到50．8mm以上的水平，就有可能直接利用现有的小型硅半导体生产线进行晶片级金刚石半导体器件工业化生产技术研发，这与当初硅，GaAs、GaN、SiC等半导体材料研发历史相仿。

50．8mm晶片可能是一种新型半导体材料发展的重要节点。

也许用不了几年，金刚石高温半导体商品化器件会真的进入市场。

2．4金刚石压砧
目前获得超高压力的技术可分为多压砧技术（multi-anvil）和金刚石对顶压砧技术［27］。

前者多采用硬质合金作为压砧（顶锤），采用液压技术加压，特点是高压腔容积大，可控性好，但所能达到的压力范围较低，一般在20GPa（20万大气压）以下。

这类高压装置，不仅用于高压下材料结构和性能的研究，更广泛用于材料在高压下的制备。

典型的例子就是金刚石粉末（颗粒）的高温高压（HPHT）合成。

国外广泛采用两面顶压机，而国内则广泛采用六面顶压机。

长久以来国外的两面顶压机一直在金刚石颗粒尺寸和质量上占压倒性优势。

最近十余年，国内的六面顶压机在经过升级改造后全面地压倒了国外的两面顶压机，在金刚石颗粒产量和质量上都达到或接近国外压机。

目前国内的高温高压合成金刚石颗粒（粉末）年产已超过100亿克拉，形成了垄断全球的形势。

国外一些知名厂家，如GE公司和E6公司等，都相继退出了中低端合成金刚石产品市场。

金刚石对顶压砧技术则是采用大尺寸金刚石（钻石）作为压砧，其特点是可以达到极高的压力，同时由于钻石无色透明，因此可以采用光学显微镜直接观察，或采用光谱分析法（包括Ｒaman光谱、紫外-可见-红外光谱、PL谱（光致发光光谱）等）进行研究。

最近的趋势则是把同步辐射XＲD和中子衍射等先进研究手段引入金刚石压砧技术。

采用金刚石压砧可以轻而易举地突破100GPa（100万个大气压）的界限，采用金刚石压砧技术达到的最高压力达550GPa（550万大气压）［28］。

因此，金刚石压砧已经成为在超高压力下研究材料结构和物理化学性能的唯一可用技术。

但是用作金刚石压砧的金刚石晶体质量要求非常高，除完全无色透明外，还必须。