上海光机所在金刚石异质外延方面取得进展

到目前为止，解决固体激光器的热管理问题仍然具有挑战性。在所有已知材料中，金刚石具有最高的热导率、极其稳定的物化性质，这使得金刚石成为热管理应用的首选材料。近些年来，金刚石与激光晶体的键合技术迅速发展，有效缓解了固体激光器的热效应，然而该技术对金刚石的平整度和粗糙度的要求极高，给金刚石加工带来了巨大的挑战。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室研究团队在金刚石异质外延研究方面取得新进展，相关研究成果以“Heteroepitaxial growth of diamond films on Y3Al5O12 single crystals”为题发表在Materials Chemistry and Physics Materials Chemistry and Physics上。

该提出了一种新的热管理方法，即直接在晶体表面异质外延生长金刚石薄膜。采用微波等离子体气相沉积(MPCVD)方法，成功地在Y₃Al₅O₁₂(YAG)衬底上合成了高质量的金刚石薄膜，提高了YAG晶体的热性能。采用不同的前处理方法和沉积参数生长金刚石薄膜，其中预处理方法是在晶种步骤之前将衬底暴露在金刚石生长条件下。

沉积后，详细研究了生长样品的质量、热性能和光学性能，研究了前处理和沉积参数对薄膜性能的影响。结果表明，在YAG衬底上沉积连续的金刚石膜需要充分的预处理工艺，而沉积过程中相对较高的温度和较低的甲烷浓度有利于获得高质量的金刚石膜。此外，在YAG晶体上沉积金刚石膜可以有效地提高材料的热导率，而对材料的光学性能影响极小，满足激光应用的需求，为固体激光器的热管理提供了新的选择。

图1. 不同样品的表面形貌及其热学性能

研究亮点

• 采用MPCVD方法在YAG衬底上沉积了连续的金刚石薄膜。

• 研究了沉积条件对金刚石膜质量的影响。

• 金刚石的沉积有效地提高了YAG的热性能。

• 沉积过程对YAG的光学性能影响不大。

文献信息：

Heteroepitaxial growth of diamond films on Y3Al5O12single crystals

Shulong Zhang, Chengchun Zhao, YingZhu, Yifei Fang, Shanming Li, Mingzhu He, Yin Hang

Materials Chemistry and Physics

https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.125152