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为解决金刚石薄膜光学质量受暗区特征影响的问题，研究人员开展了 MPCVD 金刚石薄膜中孪晶、暗区特征、孔隙及其表面关系的研究。结果表明暗区特征主要由生长孔隙构成，孪晶影响孔隙形成。该研究对金刚石制备和应用有重要指导意义。
在材料科学的广阔领域中，金刚石以其卓越的性能闪耀着独特的光芒。它拥有超高的硬度，在切割工具领域大显身手；具备极高的热导率，成为热管理材料的理想之选；同时还拥有极宽的带隙宽度和良好的可见光透射率，在光学领域也有着巨大的应用潜力 。然而，就像光彩夺目的宝石也可能存在瑕疵一样，金刚石薄膜在实际应用中面临着诸多挑战。影响其光学性能的因素众多，其中暗区特征成为制约其光学质量提升的关键因素。以往的研究大多聚焦于暗区特征对金刚石薄膜机械和光学性能的影响，却未能深入探究孔隙形成的机制。在这样的背景下，深入研究金刚石薄膜中孪晶、暗区特征与孔隙之间的关系迫在眉睫，这对于推动金刚石薄膜在各个领域的广泛应用至关重要。
为了揭开这些谜团，华北理工大学的研究人员挺身而出，开展了一项极具意义的研究。他们通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术制备金刚石薄膜，并深入探究了孪晶、暗区特征、孔隙及其表面关系，重点研究了五重孪晶内的晶体学转变、不同薄膜区域和暗区特征的生长特性以及孔隙形成的机制。这项研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为该领域的发展提供了新的思路和方向。
在研究过程中，研究人员运用了多种先进的技术方法。首先，利用扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、电子背散射衍射（EBSD）、光学显微镜以及激光共聚焦显微镜对样品进行表征，从不同角度观察和分析薄膜的微观结构和特性。此外，还借助第一性原理计算和分子动力学模拟，从理论层面深入探究相关机制，为实验结果提供有力的理论支持。
下面来详细了解一下研究结果。
- 表面表征和孪晶研究：通过 SEM 观察金刚石薄膜的典型形貌，利用激光共聚焦显微镜进行原位表征，并结合相关软件测量晶面角度，研究发现 Σ3 孪晶、五重孪晶和平行孪晶都构成 Σ3 孪晶界，且它们都属于接触孪晶。晶面的转变是由能量波动引起的。
- 生长状态和暗区特征研究：从 XRD 图谱中可以看出，生长的金刚石薄膜存在 {111}、{220} 和 {311} 晶面。Raman 光谱显示，三个区域都在 1333.2 cm-1处出现金刚石特征峰，且半高宽（FWHM）从区域 1 到区域 3 逐渐增大，这表明晶体质量从区域 1 到区域 3 逐渐变差。
- 表面孔隙表征：经过研磨和抛光后，通过激光共聚焦显微镜观察发现，此时表面结构原本位于薄膜内部。研究还发现，暗区特征主要由生长孔隙组成，暗区特征较多的区域往往伴随着更多的孔隙。而且，生长孔隙主要是在孪晶的影响下形成的，孪晶可能导致晶面生长速率不同和原子排列错位，进而促进生长孔隙的形成，其中晶面生长速率不同是主要形成机制。
综合以上研究结果，该研究明确了 MPCVD 金刚石薄膜表面孪晶的类型、孪晶界的种类及其相互关系，解释了五重孪晶中发生的晶体转变。通过分析不同薄膜区域的特征，确定了金刚石薄膜的生长状态，揭示了暗区特征、孪晶和生长孔隙之间的内在联系。这一研究成果对于指导金刚石的制备和应用具有重要意义。它为减少金刚石薄膜中的孔隙数量提供了理论依据，通过控制孪晶数量来降低孔隙数量，从而有望制备出更高质量的金刚石薄膜，推动其在切割工具、热管理、光学器件等众多领域的广泛应用，为相关产业的发展注入新的活力。同时，该研究也为后续进一步深入研究金刚石薄膜的微观结构和性能提供了重要的参考，开启了高质量金刚石薄膜制备的新征程。
