[发明专利]一种低成本、大尺寸、高品质单晶金刚石及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种低成本、大尺寸、高品质单晶金刚石及其制备方法和应用。具体地，所述单晶金刚石具有低成本、大尺寸、高品质、高纯度、高硬度的特点，可有效扩大单晶金刚石的应用范围。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体地涉及一种低成本、大尺寸、高品质单晶金刚石及其制备方法和应用。

背景技术

单晶金刚石具有超硬度、高热导率、高电子迁移率、卓越的光学性能以及高化学稳定性等优点，在机械加工、光学、微电子以及量子计算机等工业及高科技领域有着巨大的应用前景。然而天然的金刚石稀有，生产成本及后期加工成本较高，难以实现大规模的应用。因此人工合成金刚石一直是人们研究的热点，现有的合成方法主要包括高温高压法(HTHP)和化学气相沉积法(CVD)等。传统的HTHP法不仅对设备要求严苛，而且通常采用铁、镍等触媒合成，制备的金刚石纯度低、缺陷多、尺寸小和成本高等，难以满足相关领域的性能需求。CVD单晶金刚石具有设备简单、制备面积大、缺陷少等优点，是大尺寸人工单晶金刚石合成的主要发展方向。目前CVD法制备单晶金刚石主要由热丝CVD法、微波等离子CVD法、直流喷射CVD法等，研究者们通过对CVD过程中单晶金刚石的沉积参数、生长速率、机械性能、光学性能等一系列的研究，制备了具有较高品质的单晶金刚石产品。然而，以上方法依然存在诸如生长速率较低(如为5-8μm)、生长均匀性较差、品质低(FWHM一般为5－7cm^-1)、尺寸偏小(一般为10mm*10mm)、生产成本高等缺点，仍然难以满足目前对于CVD单晶金刚石的低成本、高品质、大尺寸应用要求。

因此，本领域亟需开发一种兼具低成本、高品质、大尺寸的单晶金刚石及其制备方法，从而克服现有技术缺点，提高性能，以扩大单晶金刚石的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具低成本、大尺寸、高品质的单晶金刚石及其制备方法。

本发明的第一方面，提供了一种单晶金刚石，所述单晶金刚石的Raman峰半高宽FWHM值为2.9-3.5cm^-1。

在另一优选例中，所述单晶金刚石中晶体碳元素含量≥99.9wt％。

在另一优选例中，所述单晶金刚石为单晶结构。

在另一优选例中，所述单晶金刚石中碳原子的原子百分比为100％，按组成所述单晶金刚石的原子的总数计。

在另一优选例中，所述单晶金刚石中不含石墨。

在另一优选例中，所述单晶金刚石中的石墨含量为0wt％。

在另一优选例中，所述单晶金刚石中晶体碳元素含量≥99.99wt％，较佳地≥99.999wt％，更佳地≥99.9999wt％，优选为100wt％，按所述单晶金刚石产品的总重量计。

在另一优选例中，所述单晶金刚石的Raman峰半高宽FWHM值为3.0-3.3cm^-1，较佳地3.0-3.1cm^-1。

在另一优选例中，所述单晶金刚石的硬度为90-120GPa。

在另一优选例中，所述单晶金刚石的硬度的上限选自下组：120GPa、115GPa、110GPa。

在另一优选例中，所述单晶金刚石的硬度的下限选自下组：90GPa、95GPa、100GPa、108GPa。

在另一优选例中，所述单晶金刚石的红外线透过率≥68％。

在另一优选例中，所述单晶金刚石的红外线透过率的上限选自下组：71％、70.5％、70％。

在另一优选例中，所述单晶金刚石的红外线透过率的下限选自下组：68％、68.5％、69％、70％。