高性能高温高压两面顶压机的技术发展及应用

两面顶压机作为一种重要的工业及科研设备，在高温高压环境下具有广泛的应用前景，随着技术的不断进步和市场需求，两面顶压机的应用领域不断扩宽，除了传统的金刚石合成，还在地学、物理、新材料合成领域有诸多应用。本报告对两面顶压机在超硬材料合成等相关领域的应用进行了概述；提出新型高温高压两面顶压机设计与制造技术创新；结合两面顶压机发展面临的问题，对国产化两面顶压机的未来发展方向进行展望。

超高压研究对特种金刚石对顶砧的急迫需求

压强是和温度、成分并重的独立热力学参量。利用压强可以有效地调控材料中原子距离、晶体结构、载流子浓度，甚至可以改变电子结构、元素价态等，从而使材料在高压下出现常压条件下部存在的优异性能和新奇物理现象。而且，压强越高，所能观察到的新现象越丰富、所获得的新材料就越多，因此成为我们不断突破压强极限的强大动力。金刚石是已知最硬的天然材料，具有很高的屈服强度，用它制作的对顶砧是目前唯一能提供>150GPa压强的静高压装置。但是断裂韧性较差，很容易沿着晶面方向发生解理，这两点因素综合决定了金刚石对顶砧的极限压强为400GPa。为了突破这个压强瓶颈，唯一途径就是寻找具有更高硬度和韧性的材料来代替单晶金刚石，作为压砧材料，以便使人类探索更高压强下的重大科学问题和不解的科学之谜。

基于光学级金刚石的高功率激光技术及应用

高功率激光光源在国防、航空航天、遥感和量子信息等行业的发展中起着至关重要的作用。光学级金刚石凭借其宽光谱透过范围、高非线性增益系数、高导热率以及高光学损伤阈值，成为新一代高功率激光器的理想材料。本团队长期致力于高功率金刚石激光技术及其应用的研究工作，本报告将结合团队的成果重点探讨激光领域对光学级金刚石的需求，及其如何通过结合受激散射等非线性光学效应，开发出具有窄线宽、高相干性和低噪声特性的高功率激光系统。此外，报告还将深入分析金刚石激光器在光谱窄化、增益介质优化以及级联散射控制方面的科学问题，展示提升激光器稳定性和光束质量的有效方法。未来，通过进一步优化金刚石材料性能和激光器设计，该技术有望在高功率激光领域实现更广泛的应用，推动多个领域的技术进步。

导电金刚石电极材料制备与应用研究

在功能金刚石领域，导电金刚石是一种非常重要的电极材料，除具有优异的力学性能外，其在电解质溶液中具有极其稳定的物理和化学性能，拥有高的析氧电位，表现出宽的电化学势窗，在电化学合成和电催化氧化领域发挥重要作用。其次，导电金刚石具有极低的电化学电容，表现出低的背景电流，是重要的电化学传感电极材料。本报告重点介绍团队基于元素掺杂实现导电性能的硼掺杂金刚石电极材料的孔结构构筑和大尺寸制备合成研究，及其在电化学传感和电催化氧化领域应用进展。此外，本报告还介绍团队基于CVD技术sp2碳杂化实现导电性能的两种金刚石/石墨电极材料的结构构筑和界面解析研究，及其在电化学传感、电催化和电化学储能领域的应用探索研究。

金刚石常温键合技术在半导体功率器件中的应用

半导体器件在高功率工作中，器件性能和稳定性以及使用寿命受限于自加热效应，主要由于热管理不足。由于金刚石其优越的热导率，作为功率器件GaN HEMTs的潜在散热材料，正在被广泛研究。目前主要有两种技术路线将金刚石与GaN HEMTs集成。第一种方法是在去除GaN-on-Si基板上的硅后，在裸露的GaN表面上沉积金刚石，并使用介电过渡层（如SiNx或AlN）。尽管这种方法已经实现了4英寸GaN-on-diamond晶圆，但面临着挑战。过渡层的较低热导率导致显著的热阻，而沉积在该层上的金刚石通常表现出较差的晶体质量，限制了热性能。第二种方法是在去除GaN-on-Si基板上的硅后，使用如非晶硅等粘附层将GaN粘接到金刚石基板上。然而，由于“设备优先”制造概念，即在设备制造后才与金刚石粘接，此GaN-on-diamond结构在大直径晶圆中的应用具有挑战性。 一种更有前景的解决方案是将硅基板上生长的AlGaN/GaN/3C-SiC薄膜转移到金刚石上，从而得到AlGaN/GaN HEMTs/3C-SiC on diamond。这种配置在散热性能方面相较于GaN-on-4H-SiC和GaN-on-Si表现出更优越的性能，其中3C-SiC/金刚石界面显示出卓越的热稳定性和导热性。我们正在进行的工作集中在将硅基板上生长的AlGaN/GaN/3C-SiC薄膜转移到大尺寸多晶金刚石基板上，以生产低成本、高散热性能的GaN器件。同时，我们还在深入研究界面结构和热边界阻力，以进一步提高性能和可靠性。