COVID-19疫苗的生产与全球南方国家的技术差距：以阿根廷和巴西为例

《Vaccine》：COVID-19 vaccine production and the technological gap in the Global South: The cases of Argentina and Brazil

异质成核过程中，通过直流脉冲偏置增强成核（DCP-BEN）技术协同调控电场、等离子体动力学与界面过程，利用原位光谱与多尺度表征揭示了45分钟成核窗口下形成自组织纳米沟槽（2-7 nm）和低错配（4.7%）Ir-Diamond界面，抑制后续外延生长中的位错和孪晶边界，获得10^9-10^10 cm?2高密度金刚石晶核，并确定最佳电场强度（1.5×10? V/m）和等离子体膜厚（4 mm）。电荷积累、离子轰击及表面重构协同作用机制被提出。

　　

李俊峰|周冰|高杰|李昂|余胜旺

太原理工大学材料科学与工程学院，中国太原，030024

摘要

本研究通过一种特别设计的直流脉冲正向偏压增强成核（DCP-BEN）方法，探讨了电场、等离子体动力学和界面过程在金刚石异质成核中的协同效应。利用原位光发射光谱（OES）实时监测成核过程，并结合多尺度离体表征来阐明其背后的机制。通过系统调节成核时间，本研究揭示了这些因素对等离子体化学环境以及Ir-金刚石界面形态发展的显著影响。研究发现45分钟时存在一个最佳成核窗口，该窗口有利于形成自组织的纳米沟槽（2–7纳米），并得到一个低失配度的Ir-金刚石界面，实验测得的失配度约为4.7%。与基于体格子参数的理论预测（约7.8%）相比，这种工程化的界面表现出显著降低的失配度，有效抑制了后续外延过程中的界面位错和孪晶边界，从而实现了高达10⁹～10¹⁰ cm^?2的金刚石核密度。理想的偏压条件为场强约1.5 × 10⁵ V/m和等离子体鞘层厚度约4毫米。提出了一种涉及碳富集、离子轰击和表面重构的成核机制，该机制基于电场、等离子体和界面之间的协同作用。这些发现为在Ir基底上控制合成高密度金刚石薄膜提供了重要见解。

引言

金刚石具有无与伦比的物理性能，但其尺寸受到天然储量稀缺和高压高温合成技术限制的严重制约[[1], [2], [3]]。因此，通过微波等离子体化学气相沉积实现异质外延生长已成为生产晶圆级单晶金刚石的关键且具有前景的方法[[4], [5], [6], [7]]。

在Ir基底上实现单晶金刚石的异质外延生长是开发下一代高功率电子和热管理器件的关键途径。异质外延单晶金刚石合成的核心科学挑战在于在异质基底（如Ir、Si、SiC等）上实现定向晶格外延。其中，成核阶段是决定外延层单晶质量和界面结合特性的关键控制点。这要求金刚石成核具有高密度、出色的取向一致性和最小的缺陷密度。当前的技术瓶颈主要源于较大的晶格失配（例如与Ir的失配度为7.8%）、不兼容的界面结合以及不同的热膨胀系数。这些缺陷严重影响了单晶金刚石外延层的质量，阻碍了器件性能的提升[8,9]。

在负直流偏压下进行的偏压增强成核（BEN）是促进在Ir基底上金刚石成核最广泛采用的技术[[10], [11], [12], [13]]。然而，当基底导电性较差时，持续的负偏压会在其表面产生正电荷的累积。这种电荷积累最终会通过微弧放电释放，损坏薄膜-基底界面。此外，直流偏压带来的持续离子轰击会对基底施加显著的热应力，可能导致宏观变形——这是严格异质外延生长过程中需要避免的关键问题。目前，偏压参数与金刚石外延质量之间的内在机制尚未得到充分阐明，这阻碍了工艺优化和重复性。

在这项研究中，我们引入了一种脉冲直流-BEN（DCP-BEN）技术来克服这些限制。与传统连续直流-BEN相比，后者常常导致电荷积累、微弧放电和由于持续离子轰击而产生的过度热应力，脉冲方法具有明显优势。对于连续直流偏压，电压幅度是主要的可调参数；而脉冲直流偏压则提供了频率和占空比两个额外的自由度，从而能够在保持离子撞击能量的同时独立控制平均轰击功率和热输入。这一能力不仅减轻了热量积累和基底变形，还允许间歇性电荷释放，从而抑制了连续偏压引起的界面损伤。因此，DCP-BEN实现了更精细的工艺控制[[14], [15], [16]]，有效防止了Ir薄膜的剥离或基底剥落，主动调节了等离子体-基底相互作用，并提高了单晶金刚石的外延完整性。通过精确控制脉冲偏压成核时间这一关键参数，我们系统研究了其对金刚石成核行为的影响，并探讨了界面工程在成核中的作用。这项工作为实现低缺陷的高质量异质金刚石成核提供了一种新方法，并为脉冲偏压界面工程在金刚石成核中的作用提供了新的见解。

实验细节

实验步骤

在本实验中，将尺寸为10 × 10 mm²的单晶氧化钇稳定氧化锆（YSZ (100)基底的一侧进行精密抛光，以确保表面粗糙度Ra <0.5 nm。随后在优化条件下，通过高温射频磁控溅射在这些基底上沉积Ir薄膜。X射线衍射（XRD）确认了Ir(100)结构，晶粒取向偏差≤0.8°，满足异质外延金刚石的取向要求。

DCP-BEN过程中的等离子体诊断

图2展示了在DCP-BEN过程中通过MPCVD腔体的石英窗口原位观察到的Ir复合基底上的宏观等离子体行为。在轴向偏压下，钼支架和Ir基底表面形成了连续分布的白色发光成核鞘层，其覆盖范围精确贴合基底几何形状。这种现象源于外部偏压场与等离子体场之间的耦合效应。

结论

本研究采用DCP-BEN技术与MPCVD工艺结合，在Ir(100)/YSZ复合基底系统上实现了金刚石的异质外延成核。从多尺度层面揭示了MPCVD偏压成核的“直流脉冲场-等离子体-界面”三重耦合机制。原位OES诊断表明，600 V的脉冲直流偏压能够高效分解氢气并同时驱动选择性蚀刻效应。结合XPS和TEM的结果进一步验证了这一机制。

作者贡献声明

李俊峰：撰写 – 原始稿、方法论、数据分析。周冰：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论。高杰：撰写 – 审稿与编辑。李昂：方法论。余胜旺：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFE0123000）、国家自然科学基金（项目编号：52311530768）、山西省自然科学基金（项目编号：20240302122048）以及山西省留学基金委员会（项目编号：2022-043）的支持。