近日，英國(guó)的一項(xiàng)等離子體射流反應(yīng)器技術(shù)將替代傳統(tǒng)的微波反應(yīng)器技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)人造金剛石，其合成速度或?qū)⒈纫郧疤岬?0-100倍。用這種新技術(shù)制造出的金剛石薄膜層將用于耐磨鍍附、紅外線攝像機(jī)，鉆頭和激光二極管等領(lǐng)域。

技術(shù)背景

        在過(guò)去的20年里，科學(xué)家們已經(jīng)成功利用化學(xué)氣相沉積法（chemical vapour deposition）在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)人造金剛石薄膜，其產(chǎn)品用于鉆頭的耐磨涂覆，探測(cè)地震后被掩埋幸存者的紅外攝像機(jī)探窗以及電子器件的散熱片（諸如激光二極管）等。

        如今，英國(guó)Bristol大學(xué)化學(xué)系的Mike Ashfold教授及其科研團(tuán)隊(duì)以及De Beers工業(yè)金剛石有限公司在如何快速生長(zhǎng)金剛石薄膜的化學(xué)工藝方面又邁出了可喜的一步。

微波法生長(zhǎng)人造金剛石

        金剛石作為碳的一種形式，在自然界通常以單晶體形態(tài)存在；而CVD人造金剛石則是一種聚晶體，由很多熔融的小晶體組成。在實(shí)驗(yàn)室條件下研制聚晶金剛石的方法之一就是在微波反應(yīng)器中添加甲烷和氫的混合物；微波能量將氫分裂成多個(gè)高活性的氫原子，然后跟甲烷發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生一種叫做自由基的活性含碳分子片段。這種含有很多帶電體或電離體的氣體混合物便叫做等離子體。在適當(dāng)?shù)臈l件下，當(dāng)含碳自由基沉在被鍍附的材料表面時(shí)，碳原子便形成化學(xué)鍵從而生成聚晶金剛石。

等離子體射流反應(yīng)器加快沉積速率

        利用微波法需要一個(gè)小時(shí)才能生成1微米厚的金剛石薄膜，而要完成一個(gè)耐磨涂層，則需要幾十微米厚的薄膜層；紅外攝像機(jī)的一個(gè)鏡頭則需要千分之一微米厚度的薄膜。為加快金剛石的生長(zhǎng)速率，Mike Ashfold采用一種叫做等離子體射流反應(yīng)器的設(shè)備，將氬離子通過(guò)一個(gè)直徑為千分之二米的小孔高速率噴射出；同時(shí)添加甲烷和氫的混合氣體。該系統(tǒng)在高溫下能夠產(chǎn)生高速率的等離子體噴射并產(chǎn)生巨大壓力：氣壓和流速越大，輸入功率就越大，從而使金剛石薄膜生長(zhǎng)速率比微波反應(yīng)器條件下的速率提高了10-100倍。唯一遺憾的是，目前條件下生長(zhǎng)出的聚晶體質(zhì)量不是很好。 工藝的改善

        目前，團(tuán)隊(duì)利用精密光譜技術(shù)已經(jīng)映射出了等離子體射流中含碳體的多種集合映像，為深刻理解該工藝和改善實(shí)驗(yàn)條件并研制出更高質(zhì)量的金剛石薄膜層奠定了基礎(chǔ)。（編譯自" Diamonds - Rapid Production of Synthetic Diamonds Using a Plasma Jet Reactor"；翻譯：王現(xiàn)）