北京科技大学新材料技术研究院

【研究室总体介绍】

　　碳基材料与功能薄膜研究室隶属于北京科技大学功能材料研究所，共有教师科研人员4人。研究方向主要有：大面积高品质自支撑金刚石膜制备与加工、碳材料（金刚石、碳纳米管、石墨烯等）光电器件的研究与应用、CVD金刚石单晶生长与应用、高功率电子器件热管理、新型功能薄膜材料及其制备技术、薄膜表面功能化修饰、高级电化学水处理技术、氮、碳和氧化物硬质膜与超纳米金刚石摩擦磨损应用、等离子体表面合金化与等离子体诊断等方向的研究。研究室立足于应用科学研究，以材料基础研究与工业实用相结合，承担了国家科技部重点研发计划项目、国际合作项目(中俄国际合作、欧洲地平线2020计划等)、国家基础预研与配套项目、国家863计划、国家自然科学基金等多项课题，以及省部级和企业合作开发等项目。发表相关学术论文300余篇，申请中国发明专利70余项。近几年，研究室与英国莱彻斯特大学、爱尔兰科克理工大学、美国德州农工大学、美国阿贡国家实验室、日本国家材料科学研究所开展了紧密的国际合作。近三年持续性接收国外中长期访问学者和交换留学生，同时团队成员经常性对国外高校科研院所进行访问交流，逐渐形成了具有国际影响力的研究团队。

【研究室成员介绍】

　　李成明　　唐伟忠　　魏俊俊　　刘金龙

【研究室主要研究内容及科研成果】

1、大面积高品质自支撑金刚石膜制备与加工

　　直流电弧等离子体喷射CVD制备金刚石膜具有沉积面积大、质量高、沉积速率快的特点。本实验室从90年代初自行研发直流电弧等离子体喷射CVD设备进行大面积高品质金刚石自支撑膜的制备和加工，目前已形成一整套完整的金刚石膜制备、成型加工、精密抛光的技术流程和规范。本研究室目前能够制备最大直径150mm，厚度2mm的光学级自支撑金刚石膜，表面光洁度可达5nm以下，可以实现光学窗口、高功率电子器件散热等领域的应用。承担国家基础预研和配套项目、国家自然科学基金项目及教育部博士点基金项目多项。发表相关学术论文80余篇，申请国际发明专利1项，国内发明专利20余项。

2、高功率微波等离子体金刚石膜化学气相沉积装备

　　高功率微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）是制备高品质金刚石膜的首选方法。针对高品质金刚石膜制备技术的需求，研究室突破了高功率MPCVD金刚石膜沉积装置的技术瓶颈，研制了多种2.45GHz频率/10kW功率的MPCVD金刚石膜沉积装置。其中一种新研制的高功率MPCVD金刚石膜沉积装置如下图所示。该装置采用了一种全新的设计方案，不仅可以在10kW的高功率下长期运行，更大大提高了装置的洁净度，可显著降低金刚石膜中含有的氮杂质和硅杂质污染，确保获得高品质的金刚石膜材料。目前，上述新型高功率MPCVD装置已投入运行，被用于高品质金刚石膜材料的制备研究工作。

3、金刚石基超高热流密度热管理研究

　　金刚石具有自然界最高的热导率。基于金刚石的超高热流密度热管理是当前国内外高端电子器件散热的主要途径。利用热导率高于1500W/mK，厚度大于3mm以上的金刚石厚膜结合精细微纳加工可同时实现导热与热排散的功能，最高承受热流密度可达1000W/cm²以上。下图是利用制备的大面积高导热金刚石膜制备的金刚石扩热板组件，目前已列装于高功率电子器件中，表现出极好的降温、均温效果。此外基于金刚石厚膜，通过在金刚石表面构建高深宽比微槽，实现泵驱双相流体回路装置的高效蒸发器，其排散热流密度可达500W/cm²以上。围绕金刚石微纳加工、金刚石与传热工质的相容性、传热工质的热物性改善等方面需要开展更为深入、系统的科学研究。

4、高品质金刚石单晶材料的制备技术研究

　　CVD单晶金刚石由于不存在晶界缺陷和杂质可控等特点，能够充分发挥金刚石优异的电学、力学性能实现金刚石一系列高技术应用，如宽带隙半导体、抗辐射探测器、高压物理实验（金刚石压砧）、超精密加工等。本研究室基于高质量外延生长技术，生长了大尺寸、高质量CVD金刚石单晶，最大尺寸为7.5mm×7.5mm，厚度超过2mm，氮杂质含量小于2ppm。针对CVD金刚石单晶生长及应用正在开展的研究有：高质量、批量化CVD金刚石大单晶生长关键技术研究、CVD金刚石单晶后处理及改性、CVD金刚石单晶抗辐射探测器应用研究、CVD金刚石单晶高压物理应用、CVD金刚石超精密加工工具开发和装饰应用。该研究方向获得了国家自然科学基金、科技部国际合作、国家配套等项目的资助。

5、CVD金刚石探测器技术研究

　　金刚石具有优异的抗辐射性能，可以用作条件极端恶劣的辐射环境中工作的辐射探测器材料。与其他探测材料相比，金刚石电阻率高、介电常数小，保证了金刚石器件的噪声小、信噪比高，在使用过程中环境杂光对金刚石探测器的影响极小；金刚石的击穿电压高、载流子迁移率高，这使得金刚石辐射探测器可以承受比较大的工作电压，电荷收集效率高、时间响应快。此外，金刚石的原子序数与人体软组织的等效原子数非常接近，加之金刚石无毒，与组织液不会发生化学反应，是理想的生物活体内置辐射剂量探测材料。本研究室基于高质量单晶金刚石初步研制了金刚石辐射探测器器件，并研究了其暗电流响应，展示了较低的暗电流，为进一步开展探测器的辐照性能奠定了基础。该项目得到了科技部国际合作项目的资助。

　　6、金刚石基场效应管半导体器件研制

　　随着通信技术向着极高频、超大容量方向发展，要求通讯卫星上的关键部件如信号接收端与发射端，在极高频率、超大功率下工作。此时传统的半导体材料如Si、GaAs等已难以胜任。金刚石材料由于具有宽带隙、高载流子迁移率、低介电常数、高的Johnson指标和Keyse指标等等，成为极高频超高功率领域应用的最佳材料选择，因此也被誉为第四代半导体。本研究室跟踪国际研究前沿热点，在对氢终结金刚石表面导电沟道的载流子输运特性以及表面导电机制的深入研究后，国内率先开发了基于氢终结金刚石表面P型导电沟道的场效应晶体管电子器件，并获得了国内领先的器件性能指标。作为第四代半导体，金刚石高的热导率结合耐高温、耐高压等优异性能使其能够满足超高频超大功率领域的应用，引导了电子器件新时代的到来。该方向得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目以及专用集成电路国家重点实验室基金项目的资助。

7、金刚石基声表面波电子器件研制

　　金刚石在所有物质中具有最高的声传播速度，最高的杨氏模量，同时金刚石具有高的导热性和优良的耐热性，被公认为最有发展前途的新型大功率高频高性能声表面波器件用材料。研究室使用自主研发的直流电弧等离子喷射CVD在4英寸硅片上沉积20微米厚金刚石膜后，通过镀制ZnO薄膜和SiO₂薄膜沉积制备了SiO₂/ZnO/Diamond/Si多层结构，在此基础上制作叉指电极并封装后形成声表面波器件，获得了2.63 GHz的中心频率、高达10520 m/s的声速和333 MHz的3 dB带宽，机电耦合系数为0.6%，插入损耗为34.43 dB。该器件经进一步性能优化后有望实现产品的批量生产。该项目前期得到863项目计划和中国博士后科学基金项目资助。