到目前為止，解決固體激光器的熱管理問題仍然具有挑戰(zhàn)性。在所有已知材料中，金剛石具有最高的熱導(dǎo)率、極其穩(wěn)定的物化性質(zhì)，這使得金剛石成為熱管理應(yīng)用的首選材料。近些年來，金剛石與激光晶體的鍵合技術(shù)迅速發(fā)展，有效緩解了固體激光器的熱效應(yīng)，然而該技術(shù)對金剛石的平整度和粗糙度的要求極高，給金剛石加工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所微納光電子功能材料實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在金剛石異質(zhì)外延研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Heteroepitaxial growth of diamond films on Y3Al5O12 single crystals”為題發(fā)表在Materials Chemistry and Physics Materials Chemistry and Physics上。
該提出了一種新的熱管理方法，即直接在晶體表面異質(zhì)外延生長金剛石薄膜。采用微波等離子體氣相沉積(MPCVD)方法，成功地在Y3Al5O12(YAG)襯底上合成了高質(zhì)量的金剛石薄膜，提高了YAG晶體的熱性能。采用不同的前處理方法和沉積參數(shù)生長金剛石薄膜，其中預(yù)處理方法是在晶種步驟之前將襯底暴露在金剛石生長條件下。
沉積后，詳細(xì)研究了生長樣品的質(zhì)量、熱性能和光學(xué)性能，研究了前處理和沉積參數(shù)對薄膜性能的影響。結(jié)果表明，在YAG襯底上沉積連續(xù)的金剛石膜需要充分的預(yù)處理工藝，而沉積過程中相對較高的溫度和較低的甲烷濃度有利于獲得高質(zhì)量的金剛石膜。此外，在YAG晶體上沉積金剛石膜可以有效地提高材料的熱導(dǎo)率，而對材料的光學(xué)性能影響極小，滿足激光應(yīng)用的需求，為固體激光器的熱管理提供了新的選擇。
圖1. 不同樣品的表面形貌及其熱學(xué)性能
研究亮點(diǎn)
采用MPCVD方法在YAG襯底上沉積了連續(xù)的金剛石薄膜。
研究了沉積條件對金剛石膜質(zhì)量的影響。
金剛石的沉積有效地提高了YAG的熱性能。
沉積過程對YAG的光學(xué)性能影響不大。
文獻(xiàn)信息：
Heteroepitaxial growth of diamond films on Y3Al5O12single crystals
Shulong Zhang, Chengchun Zhao, YingZhu, Yifei Fang, Shanming Li, Mingzhu He, Yin Hang
Materials Chemistry and Physics
https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.125152
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