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       金刚石因其卓越的特性而备受珍视。作为最硬的天然材料（莫氏硬度为10），它被广泛应用于切割、研磨和涂层领域。其高热导率（2000 W/(m·K)）使其成为散热的理想材料。金刚石还具有广泛的光学透过范围，适用于激光窗口和透镜。凭借宽禁带（5.47 eV），它被视为高性能电子学领域的终极半导体。其化学惰性使其能抵御腐蚀，因此在恶劣环境中具有广泛应用性。这些特性使金刚石在材料科学、电子学、光学和机械工程领域中至关重要。

       微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）是制备高纯度、大尺寸单晶金刚石的主流方法，在光学和电子器件领域的应用研究中广受关注。在该过程中，CH₄和H₂被认为是生长高纯度单晶金刚石的主要前驱体气体。此外，通过控制等离子体化学和表面反应路径的改性，战略性地引入了辅助气体如N₂、O₂和Ar，以优化生长动力学和晶体质量。

       二氧化碳（CO₂）作为温室气体，是温室效应的元凶。若能将低价值的CO₂转化为高价值的金刚石，将为CO₂的资源利用及其高附加值转化提供途径。大量研究已探讨了CO₂添加对金刚石生长的影响。与甲烷（CH₄）相比，二氧化碳在等离子体环境中具有较低的解离倾向，同时提供更高的氧碳比。实验证据表明，若大气中的氧碳比超过0.3，将对金刚石生长产生强烈的蚀刻作用，导致生长停滞或表面粗糙化。除二氧化碳外，早期研究还探讨了多种含氧源对金刚石生长的影响。Bachmann等对C–H–O环境下金刚石沉积的工艺参数进行了统计分析，最终建立了Bachmann图。该相图表明，C–H–O系统中可行的金刚石沉积主要发生在三元坐标系中的H–CO连接线附近，当氧碳比超过1时，金刚石生长变得极为困难。此外，有研究指出，当大气中氧碳比从0.5升至0.909时，单晶金刚石的生长速率从5 μm/h降至约1 μm/h。因此，在高二氧化碳浓度下加速金刚石生长速率对实现二氧化碳制金刚石的工业化至关重要。

       近日，浙江工业大学胡晓君教授团队使用光学发射光谱辅助优化高二氧化碳中单晶金刚石生长过程。研究成果以“Optical emission spectroscopy-assisted optimization of single crystal diamond growth process in high CO2 content CO2–CH4–H2-Ar atmosphere”为题发表在《 Carbon》期刊。

       氩气作为金刚石化学气相沉积中的关键辅助气体，在调节等离子体特性和提升晶体质量方面发挥着重要作用。多物理场模拟和大量实验已证实，氩气的加入可显著提高等离子体中的电子密度和电子温度，提升CH₄和H₂的解离效率，促进金刚石沉积所需活性物种的生成，并进一步加速金刚石的生长速率。然而，目前尚无文献报道在CO₂–H₂–CH₄气氛中添加氩气以改善单晶金刚石生长的研究。

       在本研究中，首先利用OES诊断CO₂–H₂–CH₄气氛下不同Ar流量条件下单晶钻石的生长过程，探讨Ar流量、IC2/IHα值与钻石生长速率之间的关系。基于实验获得的关系，我们进一步利用在各种工艺参数下对等离子体光谱信息的快速检测，获得优选的IC2/IHα值，从而实现工艺条件的快速优化。

       氩气的加入促进了二氧化碳和甲烷的分解，而OES（光学发射光谱）用于诊断金刚石生长过程，并关联金刚石生长速率与氩气流量及IC2/IHα值。以高IC2/IHα值作为金刚石快速生长的指标，通过在不同工艺参数下检测OES信息，可快速优化金刚石生长过程。

       图文导读

图1. (a) 每个样品生长过程中的光学发射光谱；(b) (a)中灰色区域的放大视图；(c) 每个样品中C2和Hα种类的强度；(d) 每个样品中IC2/IHα值的变化；(e) 样品的生长速率； (f) 不同功率下各样品的IC2/IHα值及C2和Hα谱线的强度。

图2. 每种样品的光学显微镜照片

图3. (a) 不同氩气流量下样品的发光光谱；(b) I(NV−)/I(D) 及生长速率随氩气流量变化。

图4. (a∼h) 每个样品的原子力显微镜（AFM）图像以及 (i) 对应于图像 a-h 中红色线条的每个样品的高度变化；(j) 每个样品的拉曼光谱；(k) 每个金刚石样品的拉曼峰位置和半峰宽度。