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金刚石光学窗口相关元件研究进展

时间：2023-02-24浏览次数：1990
作为第三代超宽禁带半导体材料，，，金刚石属于典型的面心立方结构( 晶格常数为 0.357nm，，，，键长为 0.154 nm，， 键角为 109°28') ，，具有 1. 77 × 1023　cm-2的原子密度，，， 是原子排列最紧密的材料。。。。基于独特的晶体结构，，，， 金刚石具有许多其他一、、、二、、三代半导体材料难以具备的极其优异的力学性能( 硬度为1×104kg /mm2，， 抗拉强度大于 1.2 GPa) ，，热学性能 (室温热导率 20 ～22 W/( cm·K) ，，室温热膨胀系数为( 1.1 ～ 1.3) ×10-6 K-1)，，光学性能( 除在中红外 3～5μm 范围内因声子振动存在本征吸收峰外，， 从 深 紫 外0.23 μm至微波毫米波段都具有很好的透过性)和电学性能( 微波介电常数为 5. 7，，，，145 GHz 下损耗正切角为 2×10-5，，，， 介电强度 1 × 107 V /cm) ，， 广泛应用于民用及军用等多种领域，，，， 被誉为“终极半导体” 。。鉴于金刚石上述的特殊结构和突出性能，， 金刚石光学窗口相关元件应运而生。。。。


金刚石光学窗口相关元件是一种将金刚石优异的光学性能，， 与其他优异的力学、、、热学、、、电学性能和化学性能相结合，，，， 通过微波等离子体化学气相沉积工艺 、、、、热丝化学气相沉积工艺、、、、直流电弧等离子体喷射化学气相沉积工艺 等合成方法制备的具有不同几何结构、、、、可在极端条件下使用的一类金刚石光学元件。。

目前的金刚石光学窗口相关元件适用的波长基本囊括了从 X 射线、、、深紫外到微波的所有波段，，， 图 1 所示为基于金刚石不同的性质所报道的不同类型的光学元件，，， 比如激光窗口、、、微波窗口、、、、导弹窗口/整流罩、、、X 射线窗口、、微透镜等机载、、、弹载、、舰载、、、星载上的重要部分。。。
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本文将以不同波段对应的不同种类的光学元件为基础，，， 对金刚石光学窗口相关元件的种类、、、、制备、、、、加工及应用进行综述。。。。

金刚石光学窗口相关元件



１、、红外波段: 机载、、、弹载、、、舰载红外搜索与跟踪系统，， 红外窗口 /整流罩


红外搜索与跟踪系统作为一种重要的雷达辅助设备，， 是现代武器装备的一种关键部件，，， 主要利用打击目标的红外特性探测跟踪目标 。。。这种系统不受夜间环境或其他能见度较差的条件影响而能更加精准地搜索跟踪目标，， 对于应对来自空、、、、地、、海等多方面的威胁目标具有非常强的感知能力。。。红外搜索与跟踪系统具有抗干扰能力强、、、抗隐身能力强、、、、隐蔽性好、、探测距离远、、分辨率高等一系列优点。。。。但是，，，， 要实现系统的精确制导，，，， 尤其是末制导，，则离不开该系统的重要部分———红外成像导引头，，， 而红外光学窗口 /整流罩则是导引头光电系统的重要结构功能组件。。。。光学窗口 /整流罩通常位于机载、、、弹载或舰载光电搜索与跟踪系统的前方，，，， 主要有两方面的作用: 1) 隔离作用，， 即将外部的恶劣大气环境与精密的光电系统隔离开，，，， 以起到保护内部光电系统的作用; 2) 本身又充当光学成像系统的一个结构组件，， 与内部其他元件一起组成光学成像系统，，，， 将目标的红外线传递到内部的红外探测器，， 达到追踪威胁目标的目的。。

根据上述介绍不难发现，，，， 光学窗口 /整流罩在材料选取上需要满足以下技术要求: 1) 满足工作状态下的光学性能要求，，，， 即在工作的红外波段内光学性能良好，， 即使处于极端恶劣的外界环境中，，材料仍需要满足保持较高的透过率以及较小的光学自发射率等要求; 2) 满足工作状态下的力学强度要求，，， 即能适应所要求恶劣工作环境条件，，， 比如能够承受强气流、、、沙尘、、雨水侵蚀所引起的对力学性能的冲击；3) 满足飞行气动热 /力效应要求，，，，例如具有超高速飞行需要的特殊气动结构外形，，，以及良好的成像性能。。。。目前常用的红外窗口 /整流罩材料如表 1 所示。。。。
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经过比较可以发现，， 除金刚石以外的其他红外材料，，， 均在透过率与机械强度之间存在折中选择。。。比如，，， 长波红外用的窗口材料，，，， 硫化锌是目前在 8 ～ 12 μm 波段应用最广泛的红外光学窗口材料，，， 但硫化锌质地软、、、机械性能差，，，， 难以抵挡恶劣环境。。。与之对比，，，， 金刚石具有良好的力学性能、、、化学稳定性，， 以及在红外波段良好的光学透过性，，， 因此，，，， 从上世纪 90 年代以来研究者已着手将金刚石应用于红外窗口 /整流罩。。

目前，，，， 主要体现在两个方面: 第一是自支撑金刚石光学级厚膜；第二是金刚石复合窗口/整流罩。。。。早期国内外曾有研究自支撑金刚石整流罩的报道，，比如 Raython 公 司报道 了 尺 寸达Φ100 mm 球罩型金刚石膜，，，， 抛光后的厚度大于 1 mm；国内北京科技大学、、、南京航空航天大学也先后报道过合成曲面金刚石自支撑膜的报道。。

但金刚石红外窗口的历史可以追溯到 1978年，， 当时将直径为 18.2mm 的天然金刚石应用于先驱号飞船的窗口，，，， 开启了将金刚石用于光学窗口的先河。。。。1996 年英国国防部与元素六公司完成了平面窗口的制备，，， 在 2002 年实现了批量生产 。。1997 年，，英国 Lunn 等采用 HFCVD 法，，控制 CH4体积分数为 0. 5% ，，，， 在直径为 15 mm 的WC 硬质合金衬底上制备出厚度为 3 μm 的球面金刚石膜; 2005 年，， 日本的 Nakamori 等 同样采用 HFCVD 工艺，， 控制 CH4 体积分数为 2%，，，， 在TiC 衬底上制备了厚度为 6 μm 的金刚石膜，，， 并采用蒙特卡洛法进行相关模拟计算。。。。

在美国，，Raytheon 最开始选择使用 HFCVD和 MPCVD 两种工艺进行金刚石沉积，，，且比较后发现，，后者制备的金刚石具有更低的红外吸收率和更高的质量，，，因此，，从1993年开始只通 过MPCVD 进行金刚石沉积，，，， 并搭建了 915 MHz 的设备进行大面积( 直径超过 125 mm) 的金刚石沉积。。。Texas 仪器公司开始用直流等离子体火炬制造金刚石，，，， 并努力优化生长速率和生长质量。。在1994 年，， Texas 仪器公司与 Olin 航空航天公司联手引进了一种超声速氢弧射流，，， 最初设计为行星际空间旅行的离子引擎，， 即 3 个离子发动机联合在一起用于直径为 60 mm 的半球穹顶的生长。。。。一个非常均匀的白色金刚石沉积可以在这个反应器中生长。。Texas 仪器公司发现，，， 多晶 CVD 金刚石中晶粒的光学质量优于晶界的光学质量。。。。正如多晶光学陶瓷的一般情况一样，，，， 大晶粒材料的晶界较小，，，， 可能比小晶粒材料具有更高的光学质量 。。。。Norton 公司在美国海军表达需求之前就已经开始了研究，，， 搭建了一个磁混合电弧喷射反应装置，，， 能够获得直径约为 100 mm 的工具级金刚石。。。但为了制备光学级金刚石，，，， 需要降低反应速率，，，， 直到 1993 年才成功制备了 Φ25 mm 厚度为1 mm 的金刚石球罩: 长波( 8 ～ 12 μm) 红外发射率小于 3% ; 长波红外光散射小于 1% ; 热导率和热膨胀相当于 IIa 型金刚石; 微波介电常数为 5. 7( 等于 IIa 型金刚石) ，，，， 损耗相切 0. 0002; 空气中在低于 700 ℃ 下稳定; 热冲击电阻大于蓝宝石100 倍。。。

北京科技大学长年致力于采用 DC Arc Plasma Jet CVD 制备大面积金刚石自支撑膜，，，， 目前最大尺寸为 Φ60 mm，，，， 并称已具备合成最大厚度为 1.5 mm、、直径 120 mm 光学级金刚石膜的能力; 光学性能为从 0. 22 μm ～ 微波( 毫米波) 完全透明，， 在 8～12 μm 范围平均透过率约 70% ；热导率为 l7～20 W /( cm·K) ; 断裂强度≥300 MPa；抗氧化性能结果表明，，，， 在实验室 800 ℃ 大气环境暴露 180 s 后，，， 在 8 ～ 12 μm 范围透过率下降小于3% ; 微波介电损耗约为 8 × 10-4 ( 5 GHz) ～ 4 ×10-4( 35 GHz) 。。。2009 年，，，， 南京航空航天大学相炳坤等采用 DC Arc Plasma Jet CVD 工艺，， 以底面 Φ65 mm、、、、h = 5 mm 的 Mo 制球冠为曲面衬底，，，， 通过控制电弧工作电压及电流、、、、腔体气压、、、气体流量及配比等生长条件，，，， 在保证等离子体温度和成分均匀的前提下，，，， 合成了厚度 ＞ 500 μm 金刚石膜。。。。通过千分尺、、、、SEM、、、Ｒaman 光谱等表征测试手段，， 对金刚石膜径向膜厚均匀性、、表面形貌、、、成分进行了研究。。。。结果发现，， 采用 DC Arc Plasma Jet CVD 工艺可以在曲面 Mo 衬底制备出光学质量满足需求的金刚石厚膜。。

吉林大学也开展了光学级自支撑金刚石膜的制备工作，，，很早就可制备 Φ50 mm 的透明金刚石膜，，， 且在甲烷体积分数为 2% 的条件下生长的大尺寸透明金刚石厚膜红外透过率很高 ( 约70% ) ，，， 接近理论值。。光学窗口的性能检测也是研究方向之一。。

英国的 Mollart发现，，， 大面积 CVD 金刚石窗口的许多光学性质受其多晶结构的影响，，， 其断裂强度特性也与其结构有关。。。。结果表明，， 三点弯曲技术是检验CVD 金刚石强度的合适方法，，，， 金刚石窗口的强度是由其内部缺陷决定的，， 而这些缺陷的尺寸大小与多晶金刚石内部的晶粒尺寸相近。。。。该研究还简要讨论了金刚石窗口的耐雨蚀与沙蚀的性质，，，发现金刚石窗口受到外界固体颗粒侵蚀时的表现与金刚石微结构息息相关，，，， 并且在受到雨滴等液体冲击时的性质同样受到微结构的控制。。。。关于复合窗口，，，， 考虑到氢等离子体对 ZnS的刻蚀作用以及二者热膨胀系数差别较大，，，因此直接在 ZnS表面沉积金刚石 已被证明是不可能的。。。

目前制备 ZnS /金刚石复合窗口大多采用添加过渡层与光 学焊接的方法来实现的。。。自1987 年以来，，，，美国先进光学材料实验室( AOML)就开展了在硫化锌等红外材料表面增加过渡层镀膜以改善其结合力的研究。。。常用的过渡层材料有陶瓷过渡层、、氮化物过渡层( 如氮化铝过渡层、、、、氮化硼过渡层) 及碳化物过渡层( 如碳化硅过渡层、、碳化锗过渡层) 。。。。

吕反修等利用电子束蒸镀技术沉积陶瓷过渡层，， 利用微波等离子体化学气相沉积技术在硫化锌 /陶瓷层上制备金刚石薄膜。。。本征硫化锌在 3～5 μm 和 8～12 μm 两个波段的平均透过率约为 60% ; 添加陶瓷过渡层后透过率有所升高，， 添加金刚石薄膜后材料的透过率略有降低。。郝鹏等利用射频反应磁控溅射技术制备 400～500 nm 厚的氧化铪( HfO2) /非晶膜复合过渡层，，，该过渡层凭借与金刚石良好的结合性能，，能够解决金刚石膜脱落的问题，，， 制备出优质金刚石膜，， 在 2 ～ 12 μm 范围内具有增透的作用。。。。由于氮化铝( AlN) 有高温稳定性和优异的化学稳定性，，，， 且在远红外波段具有良好的透过性，，，为此，，雷青松等尝试用 AlN 做过渡层，，， 但 AlN 膜层的表面粗糙度较小，，， 形成较低的表面能，，， 使金刚石不易形核。。美国科研工作者 Hartnett 等采用离子 束 增 强 沉 积 法 和 中 性 离 子 束 溅 射 法 沉 积 了200 nm的立方氮化硼和 20 nm 的碳化硅过渡层。。。。两种过渡层材料均有助于提高金刚石的形核密度，，， 提高金刚石薄膜的生长速率。。。。并且温度对材料透过率的影响小，，， 不会改变材料的红外透过性能。。但由于该技术具有很高的军事应用价值，，， 并未公布很多的资料，， 对该材料具体的透过率数据尚不清楚。。。。

另外一种方法是光学焊接法。。。。光学焊接法是美国 Westinghouse 研发中心的 Hopkins 等于 1978 年在研究耐腐蚀多光谱 ZnS /ZnSe 复合光学窗口时提出的概念。。当时，， 他们在 ZnSe 基体上通过一种 As-S-Se 硫化玻璃粘接了一层 ZnS 包覆层，，，， 从而获得了一种复合窗口，，，， 这种窗口不仅抗雨水腐蚀能力与 ZnS 相当，，， 并且具有与 ZnSe 相当的宽波透过率与散射水平。。。由于粘接材料透明，，因此，， 称这种粘接工艺为光学焊接，，， 以类比于传统的金属粘接行为。。1991 年，，，， Westinghouse 科技中心的 Partlow 等采用光学焊接法制备了 ZnSe/金刚石 和 ZnS /金刚石复合窗口，，，， 其 中 制 备 的ZnSe /金刚石窗口直径可达 38 mm。。。。具体工艺如下: 1) 首先在经过处理的 Si 衬底上通过 MPCVD工艺沉积金刚石薄膜; 根据 ZnSe 或者 ZnS 红外窗口及金刚石薄膜的尺寸、、、、折射率等选择合适组分的硫化玻璃，，，， 并置于二者之间; 2) 控制一定的温度，，，， 使得硫化玻璃融化，，， 通过热压法使得金刚石薄膜粘接在 ZnSe 或 ZnS 上; 3) Si 衬底通过刻蚀工艺除去，， 暴露出一层光滑的金刚石表面，， 得到具有一定尺寸与厚度的复合窗口。。。。随后近 10 年中，，，， 国内外鲜有采用该方法制备复合窗口的报道。。。直到 2002 年，，， 中国兰州大学物理学院 Li 等同样采用光学焊接法，， 将直径为76 mm 的金刚石膜通过硫化玻璃粘接到 ZnS 基体上，， 从而制备了在 8 ～ 12μm 波段平均红外透过率为 67% 的复合窗口。。实验中，，，首先采用 HFCVD和 MPCVD 的方法在 Si 衬底上沉积金刚石薄膜；将硫化玻璃通过蒸发的工艺沉积在 ZnS 基体表面，，， 蒸 镀 过 程 中 控 制 气 压 为 10-4 Pa，， 温 度 为200 ℃ ; 随后将蒸镀硫化玻璃的表面与沉积的金刚石表面正对，，， 同时加热与施加压力，，， 其中压力大小为 0. 1kg /cm2，， 温度为所选硫化玻璃粘接剂熔化温度，，，即 120 ℃；最后 Si 衬底通过 HF 和 HNO3混合酸腐蚀除去，，， 形成金刚石－硫化玻璃－ZnS复合结构。。这种方法通过在硫化锌表面沉积硫化玻璃薄膜，， 可方便地控制硫化玻璃的厚度，，，， 使金刚石薄膜与不同形状和尺寸的硫化锌结合。。

综合国内外研究成果可以发现，， 在硫化锌与金刚石薄膜之间增加过渡层来增加材料之间的结合力，，， 并保证较高的红外透过率是可行的，，， 但对于过渡层的选择还需要深入的研究，，，， 以保证制备出高性能的硫化锌 /金刚石复合结构窗口。。。而光学焊接法多是采用硫化玻璃作为粘接剂，，， 整个过程对红外窗口没有任何损伤，，，， 制备的复合窗口实用性很强，，， 且沉积的金刚石薄膜质量较高; 但是，， 红外窗口表面形状不能任意，， 金刚石薄膜内部应力较大，，，， 一定的弯曲会使窗口断裂，，， 且金刚石薄膜的制备与剥离工艺也会对窗口产生影响。。

红外波段: 高能激光武器窗口


作为定向能武器之一，，， 激光武器常指一种需要机载、、、、舰载、、、车载或天基卫星( 如装载在受天气因素制约较小的飞机或高空武器平台上) ，，，， 利用高功率激光束的巨大能量所产生的热效应，，，， 对打击目标( 如无人机、、、炮弹、、快艇、、、敌方人员、、、、车辆、、、光学传感器、、卫星、、、、导弹和飞机等) 进行力学破坏与热辐射破坏，， 进而达到定向杀伤目标目的的一种武器，，， 具有快速、、灵活、、精确和使用成本低等特点。。。高能激光武器的核心部件是高功率激光器，， 目前高功率激光器主要包括高功率气体激光器( 如 CO2 激光器) 、、、高能固体激光器( 如 YAG，，钕玻璃激光器) 、、、、高功率化学激光器( 如化学氧碘激光器 COIL，，， 氟氘激光器 DF) 等几类，，，， 而 CO2 激光器是目前输出功率最高的一种激光器，， 具有效率高、、易于调制的特点，，所输出的激光波长为10.6 μm。。。这种激光器的核心是放电管、、后腔反射镜、、前腔窗口组成的谐振腔，，，， 后腔反射镜通常为金属制成的全反射镜，， 前腔窗口则是由红外介质材料组成。。。

为了发挥高能激光武器的作用，，，， 使得高功率激光透过且不引起窗口的损坏，，，， 前腔窗口必须在能够保证承受 MW 级别能量的同时，，， 还不会使得高能激光束的波前发生畸变。。。。造成光束波前畸变，，， 主要是由于窗口介质材料会吸收激光，，，， 导致能量在激光窗口内外聚集，， 当窗口材料热光系数以及热膨胀系数都为正值时，， 热量集聚在此类材料上必然导致热透镜效应。。。因此，，， 耐高功率耐高频输出窗的研制已成为限制高功率激光器发展的一个瓶颈问题。。以传统的 ZnS 窗口为例，，，高功率的 CO2激光器会在激光通过时引起介质窗的温度发生梯度性变化，，，， 导致折射率梯度畸变，， 最终使得光束发生畸变; 相反，，，， 对于金刚石介质窗，， 由于热导率很大，，， 引起温度梯度和折射率梯度变化很小，，， 光束不会畸变 。。。除传统的光学窗口外，， 一种具有特殊球面结构的金刚石微透镜也可用作激光输出窗口。。。。金刚石的高折射率意味着金刚石透镜装置可以比常用的金属和聚合物透镜装置结构更加紧凑。。德国的Woerner 等报道了一种在 Si 衬底上通过机械抛光或光刻 － 离子磨削工艺获得的具有球形阵列的特殊结构( 直径为 3 ～ 7 mm，，， 深度为 380 μm) ，，，，然后通过 MPCVD 工艺( 6 kW，，，2. 45 GHz) 在上述衬底上获得了光学级金刚石膜，，沉积后对金刚石膜上表面进行抛光，， 并与衬底分离获得 2 英寸的具有微透镜阵列的金刚石光学元件( 直径为 3 ～5 mm，，， 厚度为 380 μm) 。。通过测试，，， 其热导率为20.8 W /( cm·K) ，， 与天然的 IIa 型金刚石的热导率( 20 ～ 25W /( cm·K) ) 接近; 测试 10. 6 μm 处红外吸收系数为 0. 06 cm -1，，，，与文献报道的 IIa 型金刚石的吸收率( 0. 03 ～ 0. 05 cm -1) 接近。。。

微波波段: 高功率微波武器、、、核聚变反应堆


用回旋管高功率微波( High Power Microwave，，， HPM) 是指峰值功率超过 100 MW，，，，频率在1～300 GHz 内的电磁波 。。基于高功率微波研制的高功率微波武器也是定向能武器的一种，，，， 不仅可显著提高对导弹等武器的杀伤概率，， 还具备抗复杂电磁干扰、、、、可破坏隐身目标等作战优势。。微波武器技术除应对电子设备外，，， 对于反辐射导弹和使用吸波材料实现隐身的目标可达到更好的作战效果。。近年来，， 随着高功率微波技术的发展，，，， HPM 器件的输出功率已经达到 GW 量级，， 并且还在不断的提高 。。。因此，， 微波输出窗口作为充当将 HPM 器件腔体中高真空环境与大气环境隔离开的重要部件，，，， 必须要承受高微波功率作用下所带来的热冲击作用，，，， 并能保证输出窗口的介质材料不被击穿破坏进而失效。。。换言之，，， 由于输出窗介质损耗的存在，， 在微波通过时会产生高频介，，高频输出功率越高所产生的热量就越大，，， 而由于输出微波模式的原因，，， 输出窗上面吸收的功率分布不均匀，，， 会导致局部温度过高，，，， 超过本身的承受能力导致输出窗破裂。。。。也就是说，，，输出窗口介质材料的击穿问题已经成为制约 HPM 装置向更高功率发展的技术瓶颈。。目前常用的高功率微波窗口介质材料性能参数如表 2 所示。。
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可以发现，，， 基于金刚石的性能优势，，，， 研究者通过 MPCVD 工艺可以制备大面积、、、、均匀的沉积金刚石膜，， 且沉积温度稳定的变化，，，， 有效地防止了因热膨胀系数不匹配，，，，造成的热冲击引起金刚石膜从基底上脱落的发生。。。。目前相比于其他几种工艺，，，， MPCVD 是制备大尺寸、、、、高质量金刚石膜最好的方法。。

频率处于 90～170 GHz 范围及功率水平处于5～50 MW 的电子回旋共振加热( Electron Cyclotron Resonance Heating，，，ECRH) ，， 是热核聚变能研究中等离子体的产生、、、加热、、稳定和诊断的主要研究对象之一。。从聚变堆工程的角度来看，，，， ECRH是非常有吸引力的，， 它提供了紧凑的天线结构、、、、高的注入功率密度。。。。ECRH的核心是回旋管，，，， 即指一种能产生 MW 级毫米波的真空管。。。毫米波输出的介质窗口，，，， 一方面作为等离子体环面处的初级氚包裹边界，， 二是充当回旋管的输出窗口，，，，因此，，，在技术条件方面需要满足极高的要求: 出于安全需要，，， 介质输出窗要能承受巨大的压力，，， 如静态下能承受至少 0.5MPa 的压力，，， 并且它应该使用与聚变反应堆兼容的冷却液，， 其机械性能和毫米波性能不得因适度的中子和辐照而严重退化; 第三，，，， 介质窗口的介质损耗与介电常数需要满足高功率毫米波输出的需要，，， 因为这两个性能参数对毫米波的透过率与吸收率影响极大。。。传统的毫米波输出窗介质材料，，， 包括 BN、、Si3N4、、、熔融Si、、蓝宝石等，， 相较于上述介质材料，，， MPCVD 金刚石由于其良好的力学性能、、适度的介电常数、、相对较低的损耗、、、、优异的导热性能和对核辐射的不敏感性而受到研究者关注。。。

2001 年，， 来自德国的 Thumm 等采用半球布里 － 珀罗谐振器，，， 对从英国 DeBeers 公司购买的直径为 106 mm 厚度为 1.80 mm /1.85 mm 的CVD 金刚石窗口样品进行升温过程中介电性能的表征，，，， 结果表明，，大气环境中的对流明显增强了介质损耗测量过程中的不确定性; 在真空条件下的测量也必须考虑由非平衡热剖面引起的表观介电常数的偏差。。当温度从 300 K 升高到 750 K时，， 金刚石窗口的介质损耗只有很小的增加。。

同年，， 来自英国 DeBeers 公司的 Brandon 等，，，， 来自日本的 Sakamoto，，， 来自德国的Heidinger等和来自英国的 Hanks合作制造了Φ100 mm 厚度为1. 6mm的金刚石窗口和Φ120 mm 厚度为2.25 mm的窗口，， 在145 GHz 的条件下介电损耗分别低于 1 × 10 -5 和 3×10 -5; 且在温度从 100 K变化到 700 K 时，，，， 介电损耗和介电常数非常稳定。。。德国的 Thumm研究了高功率和长脉冲毫米波传输用的 CVD 金刚石窗口。。。。

2017 年，，， 中国电子科技集团的李志良等根据热核聚变用140 GHz回旋振荡管研制需要，， 对高斯模式输出窗进行研究。。以化学气相沉积金刚石作为输出窗片的材料，，， 通过理论分析，，，， 优化设计出低反射、、、、低吸收高斯模式输出窗片的尺寸，，，， 获得金刚石窗片半径和厚度分别为 46 mm 和 1. 8 mm。。。1. 4 X 射线波段: X 射线窗口等金属 Be( 原子序数 Z = 4) 具有 X 射线吸收少，， 化学性质稳定及加工成型性好等优点，，，是传统的 X 射线窗口材料。。。。金刚石具有小的原子序数( Z = 6) ，，， 因此，，可以做到对 X 射线相对透明。。。。研究发现，，， 厚度大于 100 μm 的金刚石自支撑厚膜对于能量高于 5 keV 的 X 射线是完全透过的，，，，但对软 X 射线是存在吸收的，，， 并且受到位于 280 eV的碳的 K 吸收边控制。。。也就是说，， 金刚石膜的厚度必须处于亚微米范围内才能表现出优异的透过率值。。

关于金刚石薄膜在 X 射线领域的应用，，，，国际上已有报道 。。。如 1992 年，，， 美国国家标准和技术研究所的 Fischer 等报道了 0. 3 μm厚的金刚石软 X 射线窗口在 C、、N、、、、O、、F 荧光的特征峰，，，， 透射率分别为 0. 47、、、、0. 12、、0. 27 和 0.42 。。与传统的 X 射线窗口材料Be相比，，，，金刚石X射线窗口显示了更高透过率、、、高强度硬度、、高损伤阈值以及安全无毒无伤害等优点。。。。因此，， CVD 金刚石薄膜可以替代 Be，， 成为新一代 X 射线窗口材料。。。。

国内复旦大学应萱同等在 2000 年左右开展了 CVD 金刚石应用于红外窗口及 X 射线窗口的研究。。该团队采用 HFCVD 工艺在 Si 衬底上沉积金刚石膜，，，， 随后通过 HF /HNO3 混合酸刻蚀掉底部 Si 衬底，，，， 获得了应用软 X 射线的厚度为 0. 4 ～ 1. 0 μm，，， 通光直径为 4 ～ 8 mm 的自支撑金刚石窗口，，， 经上海同步辐射光源测试，，，透过率为59% ( 284 eV) ，，， 优于传统的 Be 窗口。。。另外，，，，随着对高功率 X 射线的研究，，， 早在上世纪 90 年代大厚度大尺寸 CVD 金刚石就引起了研究者的关注。。尤其是在同步辐射光源领域，， 急需一种耐高功率的滤波片或介质窗口去选择性透过光源发出的宽波段电磁辐射光束，，，， 并要起到隔绝真空与外界环境的作用。。。

金刚石的高折射率意味着金刚石透镜装置可以比常用的金属和聚合物透镜装置结构更加紧凑。。最后，，， 在微聚焦 X 射线管中，，，， 电子束聚焦在涂覆有靶材( 通常是 W) 的 X 射线窗口上。。在这种应用中，，将靶材涂敷在金刚石窗口上对于提高微聚焦管的性能非常有效。。。。金刚石窗口有 3 个功能：同时充当 X 射线透过窗口，，，， 金属涂层靶材和散热用热沉片。。实际上，， 电子束聚焦区域产生的热量是极其巨大的。。在直径为 1 μm 的区域进行10 W 电子束的辐照相当于在 1 cm2 的面积上施加了 10 亿瓦的功率。。。。金刚石的高热导率大大提高了金刚石窗口的散热性能。。。。

极紫外波段: 光刻系统核心组件


由于金刚石具有高紫外反射率、、、可见光波段的低反射率和高透光率、、、、高的机械硬度和化学惰性，，，， 因此，，， 研究者一直在探究是否能应用于紫外波段。。。早在 2001 年，， 意大利 Pace 等就对多晶金刚石的光学性质进行了研究，，， 包括测量了一些CVD 金刚石样品在正常入射和 45°入射角下的紫外反射率、、、偏振度和可见光透射率。。。随后，， 在 2013 年 SPIE 展会上，，，， 英国元素六公司提到，， 其美国硅谷工厂已扩大了 CVD 金刚石光学窗口的规模化生产能力，，， 该窗口产品被用作激光等离子体极端远紫外( EUV) 光刻系统的核心组件。。。CVD 金刚石光学窗口是传统光学材料的一种便捷替代品，，，， 也是唯一可实现商业化激光等离子体极紫外光刻的产品———它可以减少停机时间，，，， 提高晶圆加工能力。。。。基于其独特的性质，，， 人造 CVD 金刚石成为能够承受高通量极紫外光刻的唯一材料，， 可提高产能和成本效益。。此外，，，， 元素六公司开发出业内最平面的窗口材料( 在 633 nm 波长情况下，，，， 表面平整度 PV 值小于波长的 1 /20) ，， 以实现更小程度的波前畸变和更高的系统效率。。。。

太赫兹( THz) 波段：行波管


太赫兹( Terahertz，，，， THz) 波段是指频率在 0. 1 ～10 THz 范围，，，， 波长在 30 ～ 3 000 μm 范围内的电磁波。。当真空微波器件的工作频率接近 THz 区域时，，，， 元件和部件的特征尺寸变小，， 使得制造技术具有相当的挑战性。。。。其中一个关键部件是气密窗口组件。。。。为了实现太赫兹波的有效传输，，， 窗口的设计厚度需要降低到几十微米。。。。为了承受来自大气压差的机械应力，，，， 窗户必须有足够的机械强度和厚度。。根据公式计算获得多晶金刚石介质窗口的最小厚度为 78 μm，， 这比传统材料，，，， 如蓝宝石与氧化铍都要薄。。。当然随着工作频率的降低，，， 金刚石介质窗的厚度也可以低于 78 μm。。。Ding 等为了将行波管( Traveling Wave Tubes，，， TWT) 的应用频率扩展到 THz 波段，，， 提高窗口的机械强度，，， 在 Si 衬底上采用 MPCVD 工艺( 6 kW，，2.45 GHz) ，，，，制备了总厚度为 60 μm 的纳米金刚石与微米金刚石交替的 7 层复合结构金刚石结构，， 随后刻蚀掉 Si 衬底，，，， 制成 TWT 窗口，，，， 测试了机械强度与气密性，，，， 研究表明，，，， 该复合金刚石能够满足THz TWT 窗口的机械要求，，，， 并为极薄( ＜ 100 μm)金刚石窗的制备提供了一种新的方法。。。。

其他元件


金刚石压砧( Diamond Anvil Cell，，， DAC) 是指一种基于其具有自然界最大的硬度而研制的可产生超高压力的设备，， 其具有两个对顶的金刚石台面，，，， 常用于制造超高的压力环境。。。如果再结合金刚石宽波段透明的优异光学性能，，，， 金刚石压砧便可通过 X 射线衍射技术、、、、Ｒaman 光谱、、、紫外 － 可见光光谱、、红外光谱、、、、光致发光光谱、、中子衍射、、、同步辐射光源等光谱分析法用于对超高压环境中的物质材料进行原位监测。。。金刚石压砧相比于采用硬质合金作为压砧、、、、采用液压技术进行加压的多压砧技术，，， 可产生更高的压力，，， 甚至能达到100 GPa 以上，，，， 这对于在诸如模拟地球和行星内部的极端环境条件，，，， 获得高温高压下地球和行星内部物质的结构和性质 以及新型材料合成等领域的应用具有不可替代的地位。。Chen等开发了一种独特的激光加热金刚石压砧技术，， 用于产生超高静压力和超高温度( 分别大于100 GPa 和 3000 K) ，，， 并与核谐振非弹性 X 射线散射技术相结合，，， 用于研究含57 Fe 材料体系高温高压下的磁性、、、、弹性、、、热力学等性质。。。吉林大学张鑫利用磁控溅射和光学刻蚀技术，， 在金刚石砧面上集成了分别应用于直流导电测量和交流导电测量的微电路，， 在此基础上对高压下半导体的不同导电机制进行了研究。。。

红外衰减全反射( Attenuated Total Reflection，，，，ATR) 技术在成分分析中具有方便、、、、快速和无损样品表面的特点，， 因而被广泛应用于样品测试中。。。ATR 附件的主体即是高折射晶体，，， 这种晶体主要包括 ZnSe、、Ge、、KRS和金刚石等几种。。。。相比于其他几种晶体，， 金刚石性质更稳定，，，，硬度大，，， 便于清洗维护保养，， 信号强度大，，，，在应用上具有更大优势。。。当将ATR 技术应用于傅里叶变换红外光谱仪时，，， 就产生了傅里叶变换衰减全反射红外光谱法 ( ATR-FTIR)  。。金刚石除具有宽波段透过特性外，，， 还具有最高的拉曼增益系数、、最大的拉曼频移系数等光学性能，，，， 是目前公认的最佳拉曼增益介质之一，， 被广泛应用于拉曼激光领域。。。。可以说，，，， 基于 CVD 金刚石的拉曼激光研究是目前拉曼激光领域的核心热点 。。。

金刚石拉曼激光器分为脉冲金刚石拉曼激光器、、连续金刚石拉曼激光器两种。。。哈尔滨工业大学白振旭利用金刚石作为非线性增益介质，， 研究金刚石拉曼激光器在泵浦光光束质量严重恶化的情况下，，，， 在高功率运转时的亮度增强特性，， 以及金刚石布里渊激光器和布里渊频率梳的特性，， 为未来实现高功率、、、、高光束质量的激光输出以及在微波光子学的应用提供理论和实验基础。。。山东师范大学李博文对采用 CVD 金刚石作拉曼增益介质，，，， 1. 064 μm 光纤激光器作泵浦源的1.240 μm 拉曼激光器进行了实验研究。。。。

尊龙时凯致力于金刚石的研发和生产，，，现已有晶圆级金刚石、、、金刚石热沉片、、、光学级金刚石等产品，，，，为广大客户提供高品质CVD金刚石。。。

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