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新材料产业,先进无机非金属材料

项目组研发的商用设备（含配套工艺）就涵盖了金刚石涂层整体式刀具批量制备用、金刚石涂层常规孔径模具批量制备用、金刚石涂层小孔径模具批量制备用、高品级金刚石厚膜制备用和宝石级金刚石单晶合成用设备。项目团队在MPCVD设备核心结构设计和配套工艺优化方面的前期研究成果和经验积累对本项目研究有着最为直接的指导意义，例如，项目团队基于电磁场-等离子体场耦合仿真对设备核心反应腔结构进行了优化设计，在此基础上对生长参数进行了优化，实现了金刚石厚膜异质外延生长。 项目团队开发的单晶金刚石合成工艺可实现单炉21颗7mm×7mm单晶金刚石同质外延生长，通过生长参数调控，生长速率达到10~30μm/h。生长的单晶金刚石内部无多晶包裹体等杂质缺陷，氮含量可控，晶相高度统一。在高品级金刚石单晶合成方面，同样基于电磁场-等离子体场耦合仿真方法对不同排布方式下金刚石晶种表面附近的物理场情况进行了仿真预测，据此完成了晶种排布方式和合成参数的优化，从而实现了宝石级金刚石单晶的批量稳定合成，其中少量挑选出来的部分高品级单晶金刚石样品性能已经可以初步满足半导体应用甚至更高等级量子应用相关的基础理论及实验研究需求。

(1)基于多物理场仿真的设备结构设计方法 本项目将首先采用电磁场-微波场耦合仿真方法完成微波谐振腔体结构的优化设计，初步满足高品级单晶金刚石合成对于微波功率密度的需求，进一步结合热流耦合仿真对大面积工作台区域内的温度场和流场进行计算，满足大面积单晶金刚石合成对区域内物理场分布均匀性的需求。 (2)基于密度泛函第一性原理计算的掺杂元素优选 本项目将结合密度泛函第一性原理计算，分析典型受主元素、施主元素、表面吸附官能团及缺陷对金刚石结构和半导体特性（包括表面结构弛豫、局部结构对称性、电子结构、能带结构、态密度等）的影响规律，完成金刚石半导体单晶中p型及n型掺杂元素的优选。 (3)单晶金刚石高效掺杂机理及工艺研究 本项目将在掺杂元素优选的基础上，结合化学反应动力学分析常用掺杂源在MPCVD单晶金刚石合成气氛中的分解特性、反应路径及掺杂过程，探讨金刚石晶体生长与元素掺杂过程之间的动态交互作用机制，完成掺杂源的优选，进一步设计开发配套的定量掺杂装置，实现单晶金刚石的高效掺杂。

孙方宏，现任上海交通大学机械与动力工程学院制造技术与装备自动化所研究所教授。主要研究方向为CVD金刚石和表面工程，主持国家863计划、国家自然科学基金项目、国家科技重大专项等科研项目70余项。获得国家科技进步二等奖、国家技术发明奖二等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖、中国专利奖优秀奖、上海市科学技术进步奖二等奖、上海市发明创造专利奖发明专利奖一等奖、中国工业博览会最具技术交易潜力奖等多项奖励，担任国际磨料技术委员会(ICAT)等多种技术委员会委员，担任《金刚石与磨料磨具工程》等4类杂志编委，发表学术论文200余篇，发明专利授权18项，主持编制行业标准2项。

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