超納米金剛石具有優異的物理和化學性質，化學氣相沉積法制備超納米金剛石膜近年來引起了該領域相關研究人員的極大關注。文章對超納米金剛石與其他CVD 金剛石的性質進行了對比，對超納米金剛石的生長機理進行了簡要概述，著重分析了各種化學氣相沉積技術制備超納米金剛石的基本原理、特點及取得的研究成果，最后詳細討論了超納米金剛石的應用和今后研究方向。

引言

　　CVD 金剛石具有廣闊的市場應用前景。隨著研究學者不懈探索和努力，CVD 金剛石技術已經取得了許多可喜的研究進展及成果，并在此研究領域產生了一個新的技術名詞———超納米金剛石。超納米金剛石( ultrananocrystalline diamond，UNCD) 是指晶粒尺寸小于10 nm 以下的納米金剛石，以此區別其他粒徑在幾十納米至幾百納米級金剛石。由于其晶粒小( 最低可至2 nm) ，晶界比例高，在量子尺寸效應，小尺寸效應，表面效應，界面效應等更加明顯，再加之超納米金剛石沉積溫度相對較低，內應力小，附著力好，摻雜特性好，在力學，聲學，光學，電學方面的一些性能更加優越，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為人造金剛石越來越接近和滿足工業生產和實際應用要求。

1、超納米金剛石薄膜的特性

　　超納米金剛石晶粒極小，晶界比例可大于20%，非晶碳和石墨相含量也相對于納米金剛石及微米金剛石較高，因此表現出不一樣的使用性能:在力學性能方面超納米金剛石( UNCD) 和微米級金剛石( MCD) 的硬度相似，抗磨損性能好，但卻具備優于普通納米級金剛石( NCD) 的韌性，斷裂強度極高，并且超納米金剛石( UNCD) 晶粒尺寸小且均勻，致密度高，表面光滑性遠遠好于MCD 和UNCD; 在聲學和光學方面，UNCD 的縱聲波傳播速率和紅外透過率也最大; 在熱學和電學方面，UNCD 的熱導率和導電性都可以在幾個數量級范圍內變化，場電子發射閾值相對較低; 具體性能對比如表1。此外，UNCD 還具有黏滯性低，化學惰性好，生物兼容性好的特點。

表1 超納米金剛石、普通納米金剛石及微米級金剛石的性能比較

2、超納米金剛石薄膜的生長機理及制備

　　上世紀90 年代美國阿貢國家實驗室( Argonne National Laboratory，USA) 的Gruen 帶領的研究組采用微波等離子體化學氣相沉積裝置( MPCVD) ，利用在氬氣激發的等離子體中通入少量C60作為碳源，在800 ℃條件下首次制備出超納米金剛石膜，晶粒尺寸只有3 ～ 5 nm。與普通NCD 和MCD 的制備條件不同，UNCD 主要以C60、CH4、CO2，C2H2等為碳源，在惰性氣氛( N2、Ar、He) 環境下制備。目前，UNCD 膜的制備方法除微波等離子體化學氣相沉積技術外，還包括熱絲化學氣相沉積法( HFCVD) ，直流電弧等離子體化學氣相沉積法( DC Arc PlasmaJet CVD) 法等。

2.1、超納米金剛石薄膜生長機理

　　化學氣相沉積UNCD 機制方面，與傳統CH4 /H2中制備NCD 和MCD 的甲基生長機制不同，C2被認為是生長UNCD 的主要基團，在貧氫富氬條件下( 以CH4 /Ar 為例) ，Ar 和CH4吸收微波能量后碰撞電離生成Ar + 和C2H2，最終生成C2基團。當輸入功率較低時，發生的化學反應方程式如1a ～ 4;當輸入功率變大時，C2的產生除了由化學反應式1a～ 4 生成外，還與C 和CH 之間熱自由基反應有關，如式( 5) 。

　　C2植入襯底表面的C - H 鍵需要能量極低( 約6 kcal /mol) ，C2基團嵌入式生長不再需要原子氫轟擊襯底表面形成懸掛鍵從而產生生長位以吸附和生長金剛石有關的基團，因此可在無氫氣氛環境下進行。且不會像在CH4 /H2生長MCD 那樣: 大量原子氫在刻蝕石墨相的同時也對金剛石相刻蝕( 約為刻蝕石墨相速率的1 /50) ，導致制備的金剛石膜中易形成晶格間隙和柱狀結構，從而使得薄膜宏觀表現出較大的殘余壓應力，膜層附著力差，表面粗糙度大。UNCD 的C2基團嵌入式生長機理中，C2濃度越高，二次形核率越高，即使在低溫條件下生長速率也較快，再加上等離子體中原子氫數目少，刻蝕效果不明顯，制備出的金剛石晶粒極小，內應力小，致密度高。

4、結論

　　化學氣相沉積法制備超納米金剛石膜自問世以來在近20 年的發展中取得了一定的成果，然而要想實現超納米金剛石在力學、聲學、光學、電學、生物醫療等領域更好發揮其優異的性能，還必須解決很多相關理論和工程實踐問題，如: 貧氫條件下異質外延生長金剛石機理不夠深入，低溫下沉積缺陷和雜質不能有效控制，制備的超納米金剛石導熱率普遍較低，生產成本太高等。未來在超納米金剛石的制備中須深入探討制備工藝對結構和性能的影響，統籌考慮工藝條件，器件結構設計和應用要求三者的關系，提升高功率MPCVD 生長大面積高質量超納米金剛石的技術，才能早日實現其巨大價值的應用。