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       为获得大尺寸单晶金刚石，一条新的路径—HPHT法生长的金刚石，其相较于CVD异质外延生长的金刚石具有低位错密度的特性，但HPHT法在合成异质外延大尺寸单晶金刚石方面的应用仍需探索。

       1、超越晶格之壁，异质外延媲美同质外延

       随着晶体生长过程中内部应力的逐步释放，异质外延金刚石因晶格失配普遍表现出高于同质外延（金刚石种子：0.006–0.029 GPa）的残余应力，其中 3C-SiC 种子生长的金刚石应力最接近同质水平（0.017–0.047 GPa），而 4H-SiC 种子应力波动最大（差值达 0.061 GPa）且峰值最高（0.1 GPa）。

       结晶质量方面，4H-SiC 基底生长的金刚石拉曼峰半高宽最窄（2.64 cm⁻¹），结晶性最优，但界面畸变导致其峰偏移最大（0.62 cm⁻¹）；cBN 基底的结晶性最差（FWHM 3.12–3.33 cm⁻¹），其残余应力与晶格无序度均显著高于 SiC 基底。

       值得注意的是，尽管 SiC（尤其 4H-SiC）生长的金刚石应力波动较大，部分晶体质量仍可媲美同质外延，表明通过优化生长条件（如温度调控，其对金刚石、cBN 和 6H-SiC 基底的结晶性有明确提升作用），异质外延可实现高品级金刚石单晶，其中 3C-SiC 是低应力生长的理想异质基底，4H-SiC 则具备最优结晶潜力但需抑制界面畸变。

       ▲ 图4. 合成样品的晶体质量表征。 a) 样品H1-H15的RC谱，表中列出的是各样品的衍射峰全宽半高值，曲线颜色与表中的背景色一致；b-c) 经等离子体刻蚀后的样品H1和H10的光学图像。

       杂质可改变晶面间距，其中氮均匀分布可缓解应力；3C-SiC 在1280℃位错密度异常下降，可能因高温相变诱导晶格重组；而金刚石/4H/6H-SiC 体系升温时位错密度上升（如H13-H15：1.175×10⁶–4.213×10⁶ cm⁻²），源于杂质扩散加剧应力；蚀刻实验揭示HPHT异质外延（H10蚀刻坑密度2.546×10⁴ cm⁻²）比CVD法（文献最佳9×10⁵ cm⁻²）低1–2个数量级，侧面体现了HPHT技术的优势性。

       2、4H-SiC/金刚石异质界面的结构与应力分析

       ▲ 图5. H10样品的透射电镜和广角X射线衍射图像。 位于左上角的FIB是H10样品的FIB制备示意图，是从H10的底部和两侧取样的。黑色区域代表区域A，白色区域代表区域B，绿色区域是4H-SiC籽晶；A-B) 底部是FIB的两个样品的对应透射电镜图像；p1-p4) 在区域A标记的HRTEM图像，以及（p1）处的插图和右侧的FFT图像，是所选区域的高分辨图像和FFT；g1-g4) 沿[111]方向的广角X射线衍射图像对应于（p1-p4）。右边是相应的色标，范围为±100%。

       TEM证实4H-SiC /金刚石界面（失配率13.85%）高失配界面可通过0.1–0.5 μm三角形位错区（图5A-B）及滑移方向一致的位错网络（图5C-D）释放应力。

       该实验对金刚石晶体H10进行聚焦离子束（FIB）减薄，从底部和侧面获得截面样品。利用得到的样品在图5的采样位置通过TEM观察异质界面的特征。深灰色区域对应于样品的底部，正上方的种子晶体（区域A），灰白色区域对应于样品的侧面（区域B）。图5A、B的TEM图像均显示出三角形和点状的对比特征。三角形位错区大小为0.1 ~ 0.5 μm，并进行了标记用白色箭头表示，孔径为0.07 ~ 0.17 μm的位错区用绿色箭头表示。

       TEM图像（区域A/B）均观察到三角形位错（0.1–0.5 μm，白色箭头）和点状位错（0.07–0.17 μm，绿色箭头）。区域B的三角形位错密度更高，推测由混合位错形成。生长初期（区域A）存在高密度位错区（0.48 μm×0.22 μm，紫色箭头）。

       初始沉积层为无定形碳与金刚石共存相（红色框FFT显示无定形衍射环），逐渐过渡至单晶金刚石（蓝色框FFT显示单晶斑点）。缓冲层≥40   nm，可缓解晶格失配应力。初始层：2.10 Å（比理论值大0.05 Å），沿（100）方向生长后稳定至2.07 Å。应变与应力分布（GPA分析）区域I（生长初期）：残余拉应力主导，交替出现拉/压应力条纹（红/蓝线条）。层间距波动大（最高达2.11 Å）。区域II（后续生长）：应力分布均匀，（111）层间距稳定在2.06–2.11 Å。位错核心对应几何三角形应变区（图5g3），边界应变呈交替应力类型。

       测量点位从P1-P4晶体质量逐渐改善P4最佳（接近理论层间距2.09 Å）位错密度随生长进程显著降低，晶体质量持续改善。无叠层断层迹象，但存在由晶格失配（4H-SiC 与金刚石）导致的应力梯度，异质外延取向受基底晶面影响，（100）方向晶格失配更低，稳定性优于（111）方向。

       3、总 结

       综上所述，通过高温高压条件下的金刚石与无定形碳混合相，成功合成了低缺陷密度的异质外延金刚石，揭示了异质外延金刚石生长过程中的一种新的晶格失配容忍机制。该方法为探索异质外延金刚石生长提供了一种新的途径，是实现大规模高温高压金刚石合成的重要步骤，并为解决化学气相沉积金刚石应用中同质衬底尺寸限制问题提供了新的思路。