由于磷掺杂金刚石（PDD）具有优异的性能，因此适用于广泛的应用领域，如电子设备和电极。近日，东京理工大学科研人员首次报告了通过液态微波等离子体化学气相沉积法（IL-MPCVD）在高压低功率条件下合成PDD。用于PDD沉积的反应混合物由甲醇（MeOH）和乙醇（EtOH）与三乙基磷酸酯（(C2H5)3PO4）组成，其中磷碳比为1000 ppm。样品通过激光显微镜、拉曼光谱和辉光放电光发射光谱进行了表征。值得注意的是，PDD以280 μm/h的生长速度成功合成，这比传统的CVD方法高出两个数量级。此外，研究人员还使用循环伏安法（CV）和阻抗光谱法（EIS）评估了PDD的电化学性能。结果表明，PDD具有导电金刚石的宽电位窗口特性，并确定其供体密度为[P] = 3.8 × 10¹⁷ cm⁻³。因此，IL-MPCVD在PDD合成的CVD过程中适用于实现非常高的生长速度。
背景
金刚石以其卓越的性能著称，包括极高的硬度、高热导率和优异的耐磨性。尽管纯金刚石是绝缘体，但通过掺杂特定的杂质可以调控其导电性。例如，掺杂硼元素使金刚石表现出P型导电性（受主能级为0.37 eV），而掺杂磷元素则使其表现出N型导电性（施主能级为0.57 eV）。这些掺杂金刚石由于其宽禁带和高介电击穿电压，被广泛研究用于电子器件。化学气相沉积（CVD）技术是将杂质掺入金刚石晶格中的最有效方法。通过CVD技术，P型掺硼金刚石（BDD）已成功实现，从而在半导体到超导体的转变方面取得了突破。BDD不仅在电子器件领域，而且在电极材料方面也有广泛的应用研究。
另一方面，由于施主能级较深，N型掺磷金刚石（PDD）面临低掺磷效率的挑战。然而，研究表明，PDD具有优异的电化学性能，非常适合包括CO₂还原在内的各种电极应用，类似于掺硼金刚石（BDD）。目前，化学气相沉积（CVD）技术使用微波等离子体和热丝方法来合成PDD。
例如，Kato等人利用等离子增强CVD技术，通过使用CH₄/H₂比例为1%的气源和PH₃/CH₄比例为100%的气源，成功合成了磷浓度为[P] = 5 × 10²⁰ cm⁻³的纳米晶金刚石（NCD）。类似地，Katamune等人使用热丝CVD方法，合成了磷浓度为[P] = 1.2 × 10²⁰ cm⁻³的多晶金刚石薄膜。Lambert等人通过在MWPECVD中脉冲植入CH₄气体，从磷碳比为200,000 ppm的气源中成功合成了（111）取向的多晶金刚石薄膜，磷浓度为[P] = 7 × 10²⁰ cm⁻³。尽管取得了这些进展，这些方法通常导致非常慢的生长速度，通常约为1 μm/h。
高成本和低掺磷效率限制了PDD的实际应用，尽管其潜力巨大。为了充分利用PDD的优势，必须开发出能够在高掺磷浓度下实现快速生长的新技术。这些进步将显著提高PDD的生产效率，并扩大其在尖端技术领域的应用范围。
改进PDD的合成方法可以彻底改变其在电子设备和电化学系统中的应用。例如，高效的PDD可以用于性能更好的储能和能量转换电极，包括电池和超级电容器。此外，PDD的优异特性可以用于高频和高功率电子设备，从而在电信和电力系统中提供更耐用和高效的组件。
此外，通过改进掺磷技术，PDD在环境应用中的使用也会增加，例如用于检测和减少污染物的传感器。PDD的增强电化学性能还可以为水处理和空气净化技术提供创新解决方案。
总之，克服目前在掺磷效率和生长速度方面的限制对于释放PDD的全部潜力至关重要。这一领域的进步不仅将使合成过程更具成本效益，还将扩大PDD在各个高科技产业中的应用，从而带来显著的技术和环境效益。
近年来，液相微波等离子体CVD（IL-MPCVD）作为一种高增长率的CVD技术，受到了广泛关注。IL-MPCVD通过微波加热在酒精液体中生成气相等离子体，用于合成金刚石。使用这种方法，使用甲醇（MeOH）和乙醇（EtOH）的混合物可以实现非常高的生长速率 。IL-MPCVD的优势在于它能够在较高的压力和较低的功率水平下生成高密度等离子体，这与传统CVD方法相比具有显著的优势。
Toyota等人使用甲醇和乙醇等有机溶剂，通过IL-MPCVD成功地以192 μm/h的速率生长了未掺杂的金刚石。在我们的实验室中，我们也成功实现了不同硼浓度的掺硼金刚石（BDD）薄膜的高生长速率。Harada等人报道，硼浓度为7 × 10²¹ cm⁻³的BDD可以以287 μm/h的速率合成。我们的研究表明，通过增加反应器压力、微波功率和优化溶剂组成，BDD的生长速率可以达到410 μm/h，这比传统CVD方法高出两个数量级。
这些研究结果表明，IL-MPCVD在高效合成金刚石方面具有巨大的潜力。该技术不仅提高了生长速率，还能更好地控制掺杂过程，这对于调整金刚石薄膜的电学和电化学性能至关重要。这为金刚石材料在先进电子、高功率设备和电化学应用中的应用开辟了新的可能性。
此外，IL-MPCVD过程中使用不同有机溶剂的能力提供了优化各种类型金刚石薄膜生长条件的灵活性。这种多样性可能会进一步提高所合成金刚石的质量和性能，使IL-MPCVD成为开发新一代金刚石基材料的宝贵技术。
总之，IL-MPCVD代表了CVD技术的显著进步，提供了更高的生长速率、改进的掺杂效率和更大的合成过程灵活性。继续在这一领域的研究和开发可能会产生更加令人印象深刻的结果，进一步扩大金刚石材料在各个高科技领域的潜在应用。
IL-MPCVD具有在高掺杂和高速生长PDD方面的巨大潜力。然而，目前尚未有使用IL-MPCVD合成PDD的报道。在东京理工大学的这份研究中，他们利用IL-MPCVD在高压（60 kPa）和低功率（440 W）条件下实现了多晶PDD的高速合成，生长速率达到280 μm/h。
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