第一篇 金刚石膜的制备 3
第1章 化学气相沉积金刚石膜概论 3
1.1 引言 3
1.2 化学气相沉积金刚石膜类型和沉积机理简介 7
1.2.1 化学气相沉积金刚石膜的类型 7
1.2.2 化学气相沉积金刚石膜的机理简介 8
1.3 金刚石膜制备方法简介 10
1.3.1 概述 10
1.3.2 热丝CVD 12
1.3.3 微波等离子体CVD 13
1.3.4 直流电弧等离子体喷射CVD 14
1.3.5 热阴极等离子体CVD 16
1.3.6 燃烧火焰沉积 17
1.3.7 激光诱导等离子体CVD 19
1.3.8 其他制备方法简介 22
1.4 微米晶金刚石膜 24
1.4.1 概述 24
1.4.2 沉积气氛 25
1.4.3 衬底 26
1.4.4 形核 29
1.4.5 生长形貌及其控制 32
1.4.6 生长速率与质量 34
1.4.7 金刚石自支撑膜 36
1.4.8 工具级金刚石自支撑膜 37
1.4.9 光学级金刚石自支撑膜 38
1.4.10 热沉级金刚石自支撑膜 40
1.4.11 电子级（探测器级）金刚石自支撑膜 40
1.4.12 金刚石薄膜 41
1.4.13 金刚石薄膜与衬底的结合力 42
1.4.14 金刚石膜工具涂层 42
1.4.15 金刚石薄膜光学涂层 43
1.4.16 电子学应用金刚石薄膜 43
1.4.17 金刚石膜热学应用 44
1.4.18 硼掺杂金刚石膜电极 44
1.4.19 金刚石膜声表面波器件 44
1.5 纳米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜 45
1.6 CVD金刚石单晶 46
1.7 CVD金刚石膜的晶粒尺寸：从零到无穷大 48
1.8 碳家族 49
参考文献 51
第2章 热丝CVD 62
2.1 引言 62
2.2 HFCVD概述 62
2.2.1 HFCVD基本原理 62
2.2.2 HFCVD的特点及主要生长技术工艺参数 63
2.3 HFCVD金刚石膜沉积过程中的化学反应 66
2.3.1 原子氢的主要作用 68
2.3.2 原子氢的湮灭和复合 76
2.3.3 气相碳化学过程 76
2.3.4 能量、质量和动量传输 78
2.4 HFCVD系统的设计 80
2.4.1 灯丝材料选择及灯丝的碳化动力学过程 80
2.4.2 热丝系统设计要素 82
2.5 电子辅助HFCVD 87
2.5.1 直流负偏压 88
2.5.2 直流正偏压 88
2.6 HFCVD金刚石膜沉积技术 89
2.6.1 HFCVD金刚石膜沉积技术的基本工艺参数及其优化 89
2.6.2 金刚石膜涂层 94
2.6.3 金刚石厚膜 107
2.6.4 CVD金刚石掺杂和电化学电极 111
2.6.5 纳米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜 113
2.6.6 大面积金刚石膜沉积 113
2.7 HFCVD金刚石膜沉积技术工业化 114
2.7.1 工业化金刚石涂层技术和设备 115
2.7.2 金刚石厚膜沉积设备 117
2.7.3 HFCVD金刚石膜的市场应用 118
2.8 结语 130
参考文献 130
第3章 微波等离子体CVD金刚石膜沉积技术 136
3.1 引言 136
3.2 微波激励下气体的放电现象 137
3.3 MPCVD金刚石膜沉积装置 140
3.3.1 石英管式MPCVD金刚石膜沉积装置 140
3.3.2 石英钟罩式MPCVD金刚石膜沉积装置 141
3.3.3 圆柱谐振腔式MPCVD金刚石膜沉积装置 143
3.3.4 环形天线式MPCVD金刚石膜沉积装置 144
3.3.5 椭球谐振腔式MPCVD金刚石膜沉积装置 145
3.4 915MHz频率的MPCVD金刚石膜沉积装置 147
3.5 几种其他类型的MPCVD金刚石膜沉积装置 149
3.5.1 利用毫米波实现激励的MPCVD金刚石膜沉积装置 149
3.5.2 电子回旋共振MPCVD金刚石膜沉积装置 150
3.5.3 微波等离子体喷射MPCVD金刚石膜沉积装置 152
3.5.4 线形MPCVD金刚石膜沉积装置 153
3.5.5 iplas型MPCVD金刚石膜沉积装置 154
3.6 我国MPCVD金刚石膜沉积装置技术的发展历史与现状 156
3.7 MPCVD金刚石膜沉积装置的模拟 159
3.7.1 MPCVD金刚石膜沉积装置中微波电场的分布模式 160
3.7.2 等离子体对MPCVD金刚石膜沉积装置中微波电场分布的影响 164
3.7.3 MPCVD金刚石膜沉积装置的模拟 167
3.8 MPCVD金刚石膜沉积技术的应用与展望 171
参考文献 174
第4章 直流电弧等离子体喷射CVD 180
4.1 引言 180
4.2 直流电弧等离子体喷射CVD的原理 181
4.2.1 直流电弧等离子体喷射CVD实验装置 181
4.2.2 等离子体炬内部的放电过程 183
4.2.3 气体流动和能量转换 185
4.2.4 直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜沉积概述 189
4.2.5 直流电弧等离子体喷射系统设计中应考虑的技术问题 193
4.3 历史回顾：直流电弧等离子体喷射大面积、高质量、高速率金刚石膜沉积 199
4.3.1 直流电弧等离子体喷射气体流动和温度分布的均匀性 199
4.3.2 直流电弧等离子体喷射大面积、高质量、高速率金刚石膜沉积研究回顾 199
4.4 旋转电弧气体循环高功率直流电弧等离子体喷射 203
4.4.1 高功率旋转电弧直流电弧等离子体喷射的原理 203
4.4.2 气体循环原理 204
4.4.3 高功率气体循环旋转电弧直流电弧等离子体喷射 205
4.5 高功率旋转电弧气体循环直流电弧等离子体喷射金刚石自支撑膜沉积及其性能 207
4.5.1 高功率旋转电弧气体循环直流电弧等离子体喷射金刚石膜沉积 207
4.5.2 旋转电弧气体循环直流电弧等离子体喷射制备的金刚石膜材料性能 209
4.6 工业应用 214
4.6.1 应用研究 214
4.6.2 直流电弧等离子体喷射金刚石膜沉积经济性分析 220
4.6.3 工业化应用 222
4.7 结语 225
参考文献 226
第5章 其他制备方法 235
5.1 直流热阴极等离子体CVD法 235
5.1.1 常规辉光气体放电特性 235
5.1.2 直流热阴极辉光放电特性 237
5.1.3 热阴极辉光放电阴极材料 249
5.1.4 装置设计及金刚石膜制备 255
5.1.5 金刚石膜的生长特性和性质 261
5.2 燃烧火焰法 265
5.3 电子回旋共振微波CVD法 266
5.4 射频放电CVD法 267
5.5 激光CVD法 269
参考文献 269
第6章 金刚石膜外延生长 271
6.1 同质外延生长 271
6.1.1 高速外延生长金刚石单晶 271
6.1.2 器件级金刚石外延膜 283
6.1.3 外延金刚石中的缺陷 286
6.2 异质外延生长 291
6.2.1 立方氮化硼 291
6.2.2 镍 292
6.2.3 铜 292
6.2.4 铂 293
6.2.5 铱 293
6.2.6 硅 298
参考文献 300
第7章 金刚石膜控制掺杂 306
7.1 引言 306
7.2 CVD金刚石膜的离子注入掺杂技术 307
7.3 CVD金刚石膜的生长过程掺杂技术 310
7.3.1 金刚石膜的硼掺杂 310
7.3.2 金刚石膜的氮掺杂 319
7.3.3 金刚石膜的磷掺杂 331
7.3.4 硼掺杂金刚石的氘化处理 339
7.3.5 金刚石膜的硫掺杂 341
7.3.6 金刚石膜的其他元素掺杂 342
7.4 金刚石膜的共掺杂 343
7.5 结语 346
参考文献 346
第二篇 金刚石膜组织结构和性能表征 355
第8章 金刚石膜组织结构表征方法 355
8.1 金刚石膜表面形貌表征方法 355
8.1.1 金刚石膜表面粗糙度和膜厚测试方法 355
8.1.2 金刚石膜表面形貌分析方法 360
8.2 金刚石膜组织结构表征方法 369
8.2.1 拉曼光谱 370
8.2.2 衍射分析方法 376
8.2.3 光谱分析方法 386
8.2.4 透射电镜 398
8.3 其他表征方法 408
8.3.1 二次离子质谱 408
8.3.2 电子顺磁共振 410
8.3.3 核反应分析法 412
8.4 金刚石膜膜基界面结合强度测试 414
8.4.1 拉离测试法 415
8.4.2 压痕测量法 416
8.4.3 刻痕测试法 416
8.4.4 刮剥式测量法 417
参考文献 418
第9章 金刚石薄膜表面性能 422
9.1 氢、氧终端金刚石薄膜的结构及性能 422
9.1.1 两种终端金刚石薄膜的电学性能 422
9.1.2 两种终端金刚石薄膜表面的电子结构 425
9.1.3 两种终端金刚石薄膜导电机理 427
9.1.4 氢、氧终端金刚石薄膜的电化学性能 428
9.2 金刚石薄膜的可修饰性 429
9.2.1 金刚石表面实施化学修饰的基本策略 430
9.2.2 导入卤素 431
9.2.3 导入氨基、氰基 432
9.2.4 导入氧基（羧基、羰基） 433
9.2.5 有机（生物）分子的修饰 434
9.2.6 金刚石表面的金属粒子及金属氧化物修饰 440
9.3 金刚石薄膜修饰后的应用 442
9.3.1 电分解（电氧化法废水处理） 443
9.3.2 电合成 444
9.3.3 电容器 445
9.3.4 电分析 446
9.3.5 电流型生物传感器 448
9.4 结语 449
参考文献 450
第10章 金刚石薄膜的电学性能 460
10.1 引言 460
10.2 金刚石薄膜的导电类型 460
10.2.1 本征导电 460
10.2.2 非本征导电 462
10.3 金刚石薄膜的导电机制 463
10.3.1 空间电荷限制传导 464
10.3.2 肖特基势垒注入 465
10.3.3 弗仑克尔-普尔传导 466
10.3.4 希尔传导 466
10.3.5 本征金刚石薄膜的传导机制 467
10.3.6 掺杂金刚石薄膜的传导机制 469
10.4 电阻（电导）率 470
10.4.1 本征金刚石薄膜 470
10.4.2 掺杂金刚石薄膜 471
10.4.3 金刚石薄膜的表面电导率 472
10.5 散射机制 475
10.5.1 声子散射 476
10.5.2 谷间散射 477
10.5.3 电离杂质散射 477
10.5.4 中性杂质散射 478
10.5.5 位错中的散射 479
10.5.6 表面和晶界 479
10.6 迁移率及漂移速度的测量 479
10.6.1 漂移运动与迁移率 479
10.6.2 金刚石薄膜中载流子迁移问题研究现状 483
10.6.3 漂移速度与电场强度的关系 487
10.6.4 载流子的俘获 489
10.6.5 电荷收集效率与电荷收集距离的关系 490
10.6.6 电荷收集效率与电场强度的关系 492
10.7 霍尔效应 493
10.7.1 霍尔效应测试原理 493
10.7.2 光霍尔测试 495
10.7.3 磷掺杂金刚石薄膜的霍尔测试 495
10.7.4 硼掺杂金刚石薄膜的霍尔测试 496
10.8 金刚石薄膜的超导电性 498
10.8.1 硼掺杂金刚石超导膜的制备与表征 500
10.8.2 实验参数对硼掺杂金刚石薄膜生长特性的影响 506
10.8.3 硼掺杂金刚石薄膜的超导特性 514
10.9 晶界及对其电学特性的影响 520
10.9.1 金刚石薄膜内晶界区域的场发射特性 522
10.9.2 晶界对金刚石薄膜表面电导的影响 525
10.9.3 晶界影响金刚石表面电学特性的机理 528
10.10 结语 531
参考文献 531
第11章 金刚石热学性质及应用 542
11.1 金刚石的热学性质 542
11.1.1 比热 542
11.1.2 热导率 543
11.1.3 热稳定性 546
11.2 金刚石热导率测试方法 548
11.2.1 闪光法 548
11.2.2 微桥法 549
11.2.3 3ω法 550
11.2.4 光热偏转法 550
11.3 金刚石热学应用 551
11.3.1 金刚石膜的热沉应用 552
11.3.2 铜基金刚石复合材料的应用 556
11.3.3 金刚石窗口材料的应用 557
11.3.4 金刚石在导热胶领域的应用 559
11.4 金刚石膜热学应用现状与展望 560
参考文献 561
第12章 金刚石膜力学性能 565
12.1 引言 565
12.2 硬度 568
12.3 断裂强度 569
12.3.1 金刚石膜断裂强度测试方法 569
12.3.2 金刚石膜的断裂强度 571
12.3.3 影响金刚石膜断裂强度的因素 576
12.4 断裂韧性 587
12.4.1 金刚石膜断裂韧性测试方法 587
12.4.2 金刚石膜的断裂韧性 601
12.5 动态力学性能 604
12.5.1 概述 604
12.5.2 金刚石膜的砂蚀性能 605
12.5.3 金刚石膜的雨蚀性能 608
12.5.4 金刚石膜在循环荷载作用下的力学行为 609
12.5.5 高温氧化对金刚石膜强度的影响 610
12.6 内应力 611
12.6.1 金刚石膜内应力测试方法 611
12.6.2 金刚石膜的内应力 613
12.6.3 金刚石膜内应力的影响因素 614
12.6.4 降低金刚石膜内应力的技术途径 623
12.7 摩擦磨损性能 623
参考文献 625
第13章 金刚石膜光学性能 630
13.1 引言 630
13.2 折射 633
13.2.1 天然金刚石 633
13.2.2 金刚石膜 635
13.3 反射 635
13.4 吸收 637
13.4.1 缺陷（杂质）引起的吸收带 640
13.4.2 本征吸收 647
13.5 拉曼散射 647
13.5.1 单声子拉曼散射 647
13.5.2 双声子拉曼散射 650
13.5.3 其他 652
13.6 光致发光 654
13.7 阴极发光 655
13.8 热辐射 656
13.9 光损伤 659
参考文献 660
第三篇 金刚石膜沉积理论 665
第14章 金刚石膜化学气相沉积理论 665
14.1 引言 665
14.2 金刚石化学气相沉积环境 667
14.2.1 原子氢 668
14.2.2 碳氢化合物基团 675
14.2.3 氧的影响 682
14.2.4 活性基团的气相输运 684
14.3 金刚石生长表面化学过程 686
14.3.1 基材表面化学反应过程 686
14.3.2 金刚石膜实验生长动力学 691
14.3.3 生长机制 695
14.4 金刚石膜质量与生长缺陷 703
14.4.1 晶体缺陷 703
14.4.2 杂质 706
参考文献 706
第15章 等离子体模拟与诊断 710
15.1 引言 710
15.2 金刚石膜沉积典型等离子体环境 710
15.2.1 等离子体特征 711
15.2.2 电子-中性粒子碰撞 714
15.2.3 离子-中性粒子碰撞 714
15.3 等离子体与衬底表面交互作用 715
15.3.1 电子与衬底表面的交互作用 715
15.3.2 离子与衬底表面的交互作用 716
15.3.3 中性粒子与衬底表面的相互作用 717
15.4 Boltzmann方程 718
15.4.1 等离子体的控制方程 719
15.4.2 输运系数 721
15.4.3 求解方法 722
15.4.4 CH4-H2等离子体模拟实例 724
15.5 金刚石沉积装置等离子体流场模拟 729
15.6 等离子体空间分辨谱研究 735
15.6.1 概述 735
15.6.2 诊断技术 735
参考文献 748
附录 缩略语 754
索引 759