超硬材料网

      近日，俄罗斯国立大学Skobel’tsyn 研究所的Yu.A. Mankelevich和英国Bristol大学化学院的Allan领导的科研团队发表研究声明，在标准CVD金刚石生长模式的基础上，他们创建了一种新的简化型金刚石生长模式——蒙特卡洛模拟法。这一模式揭示了单价基和二价自由基位置上的所有C1烃基（CH3、CH2、CH和C原子）都会对金刚石表面特性产生影响。

       蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟（简称MC模拟）是一种通过设定随机过程，反复生成时间序列，计算参数估计量和统计量，进而研究其分布特征的方法。

       在MC模式的实验过程中，金刚石生长的标准沉积条件保持基本不变，主要是将CH3添加到单价基表面位置从而生产出大晶体；与此同时二价自由基位置上，CH3的添加也会生产出大单晶。

       但研究人员发现，此过程中二价自由基位置上还出现了其它的反应烃种，诸如C2H、C2等。这些产物会在聚晶金刚石薄膜上集聚，从而导致一些顽固的固结缺陷，甚至是不可蚀刻的。这种表面缺陷要么成为新的外延生长膜的核植入点，要么就是朝着跟主体产物方向相反的位置生长出新的微晶。Allan称之为“核植入”，这种情况会引起金刚石晶体粒度的下降；如果“核植入”经常发生，金刚石粒度则会从毫米尺寸缩小到微米尺寸，进而退化至纳米尺寸。

       鉴于此，研究团队在重组的二聚物排列上进行CH2组的表面迁移，从而进行金刚石生长率的观察和预测。利用MC模式，在典型的CVD金刚石生长条件下，工作人员获取到一组单价基和二价自由基的数据。这些数据显示，金刚石薄膜表面有~10%的碳原子支持单价基，另有1%的表面碳原子是由二价自由基组成（两个毗邻的碳原子上的一个二价自由基）。该模式还揭示，金刚石晶体的平均粒度取决于衬底温度，更与原子氢的所有C1烃的浓度比率有重要关系。研究成果显示，在蒙特卡洛法实验下，金刚石晶体粒度成功地由纳米尺寸逐渐向微米，进而向毫米尺寸变化。        研究利用一维MC模拟将金刚石晶格横截面以二维形式展现在屏幕上，晶格内每个碳原子用不同颜色的方块来表示，代表不同的碳结合。晶格中充分结合的碳原子用深蓝色标注，而晶格表面被临时吸附的碳原子则以绿色标注。

       上图显示了金刚石薄膜生长的柱状特性、慢生长微晶的繁茂生长和微晶粒度随薄膜厚度的增加。

       通过实验，研究者在核植入影响和薄膜生长表面的缺陷形成方面有了进一步的认识和了解，特别是在微晶金刚石柱状生长和纳米晶体尺寸的金刚石生长方面有了更详细的掌握。

       通过对输入参数的合理赋值，研究人员能够得到MC模拟法复制出的诸多CVD金刚石生长特性。对该模拟的进一步延伸，诸如复合粒度的形成，则使得工作人员对微晶金刚石生长、纳米尺寸金刚石生长和超纳米金刚石生长有了定性的模拟。

       Yu.A. Mankelevic称，控制微晶尺寸分布的参数实则就是一种几率，也即移动的碳种类制造出不动的、不可蚀刻的表面缺陷从而充当关键原子核，为新的金刚石生长层的生长亦或新的缺陷微晶的生长发挥作用的几率。（编译自Diamond & Related Materials）