技术特征：
1.一种红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于通过在金刚石膜上生长氢终端纳米碳膜形成红外波段增透全碳金刚石半导体，纳米碳膜具有高迁移率导电性，具体包括以下步骤：步骤1：光学级金刚石膜的表面精密加工；将所选用的厚度50μm以上，直径5mm以上的光学级金刚石自支撑膜进行双面研磨和精密抛光；1.1金刚石表面研磨将金刚石膜粘于研磨工装上，使用金刚石磨料研磨至表面磨痕均匀，研磨盘选用合适转速；1.2金刚石表面精密抛光将研磨后将金刚石膜进一步粘于抛光工装上，依次使用陶瓷基抛光盘对金刚石表面进行抛光，抛光盘转速调制恒定转速，直至金刚石表面达到合适的粗糙度；步骤2：金刚石表面的酸洗处理；对抛光后的金刚石膜进行酸洗处理，去除金刚石膜在制备与加工过程中存在的金属磨屑与非金刚石相；将金刚石膜置于硫酸与硝酸按一定比例混合溶液，加热回流，待溶液沸腾后，维持一定时间；随后采用去离子水超声清洗金刚石衬底，吹干；步骤3：金刚石表面纳米碳膜的生长3.1金刚石表面的等离子体活化通入氢气采用低温氢等离子体对洁净化后的金刚石膜表面进行活化，利用氢等离子体刻蚀金刚石表面使得碳氧键以及表面杂质得以去除，并通过氢等离子体刻蚀作用打断金刚石表面碳碳键，露出新鲜的碳悬挂键，为进一步生长纳米碳膜提供基础；3.2金刚石表面纳米碳膜生长金刚石表面经活化后，通入甲烷引入碳源，生长纳米碳膜；根据红外增透波段确定纳米碳膜中晶界sp2结构与晶粒sp3结构的比例以及纳米碳膜厚度；步骤4：金刚石表面氢化处理采用低温氢等离子体对生长的纳米碳膜进行表面修饰，采用合理的参数实现氢终端，赋予金刚石薄膜表面高迁移率的导电性。2.根据权利要求1所述红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于步骤1.1光学级金刚石膜研磨工艺使用150μm、100μm、80μm、60μm、40μm、20μm、10μm的金刚石磨料研磨至表面磨痕均匀，研磨盘转速20-100rmp，粗糙度500nm以下。3.根据权利要求1所述红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于步骤1.2光学级金刚石膜精密抛光工艺使用50μm、20μm、10μm的陶瓷基抛光盘对金刚石表面进行抛光，抛光盘转速100-1500rmp，直至金刚石表面的粗糙度低于1nm。4.根据权利要求1所述红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于抛光后的金刚石膜在10.6μm的红外透过率要求大于60％。5.根据权利要求1所述红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于步骤2所述酸洗处理中硫酸硝酸浓度比例为5:1；加热回流，待溶液沸腾后，煮沸30-60min；随后采用去离子水超声清洗金刚石衬底1-3遍，超声波功率为50-300w，每次清洗30min，吹干。6.根据权利要求1所述红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于步骤3.1
所述采用低温氢等离子体对单晶金刚石衬底表面进行活化，活化温度600-700℃，时间5-10min。7.根据权利要求1所述红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于步骤3.2所述纳米碳膜的生长，采用从微米金刚石膜生长工艺向纳米金刚石碳膜生长工艺过渡的方式实现，过渡层厚度以纳米碳膜的1/10计算；过渡层生长温度800-850℃，甲烷浓度0.1-2％。8.根据权利要求1所述红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于步骤3.2所述纳米碳膜的生长工艺参数依据在固定波段能够获得纳米碳膜的折射率满足多晶金刚石膜折射率的平方根确定；纳米碳膜的厚度根据增透波长除以纳米碳膜的折射率，再除以4确定，以该值获得增透效果最佳。9.根据权利要求1所述红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于步骤3.2中纳米碳膜的折射率可通过控制碳膜中晶界sp2结构与晶粒sp3结构的比值进行调整；纳米碳膜的生长通过沉积温度与碳源浓度参数阶梯渐变实现；参数包括生长温度650-750℃，甲烷浓度0.1-2％，生长时间为1-9h。10.根据权利要求1所述红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，其特征在于步骤4所述纳米碳膜的氢化处理可在生长之后关闭碳源实现。参数包括氢化温度600-700℃，处理时间为5-10min；所述用于生长纳米碳膜的碳源为气态碳源或固态碳源。
技术总结
一种红外增透高导电金刚石半导体的制备方法，属于金刚石功能光电材料领域。通过在金刚石表面生长氢终端纳米碳膜实现金刚石在近红外和长波红外波段增透，同时表面呈现高迁移率P型导电特征，工艺步骤为：a.将光学级单晶或微米晶金刚石自支撑膜双面抛光至表面粗糙度低于1nm；b.将金刚石置于低温氢等离子体中，刻蚀抛光态的表面，裸露出洁净的碳的悬挂键通入甲烷，引入碳源，在光学级金刚石膜表面无界面生长纳米碳膜；c.通过控制金刚石生长温度与时间，在金刚石表面生长出特定厚度的SP2/SP3键混合的纳米碳膜；d.关闭碳源，用氢等离子体活化得到氢终端纳米碳膜表面，实现金刚石表面的导电性增强，进而实现红外增透高导电金刚石半导体的制备。导体的制备。导体的制备。
技术研发人员：刘金龙 贾燕伟 何健 李成明 陈良贤 魏俊俊 郑宇亭 欧阳晓平
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2022.03.10
技术公布日：2022/6/21