近日，俄羅斯國(guó)立大學(xué)Skobel’tsyn 研究所的Yu.A. Mankelevich和英國(guó)Bristol大學(xué)化學(xué)院的Allan領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表研究聲明，在標(biāo)準(zhǔn)CVD金剛石生長(zhǎng)模式的基礎(chǔ)上，他們創(chuàng)建了一種新的簡(jiǎn)化型金剛石生長(zhǎng)模式——蒙特卡洛模擬法。這一模式揭示了單價(jià)基和二價(jià)自由基位置上的所有C1烴基（CH3、CH2、CH和C原子）都會(huì)對(duì)金剛石表面特性產(chǎn)生影響。

       蒙特卡洛(Monte Carlo)模擬（簡(jiǎn)稱(chēng)MC模擬）是一種通過(guò)設(shè)定隨機(jī)過(guò)程，反復(fù)生成時(shí)間序列，計(jì)算參數(shù)估計(jì)量和統(tǒng)計(jì)量，進(jìn)而研究其分布特征的方法。

       在MC模式的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，金剛石生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)沉積條件保持基本不變，主要是將CH3添加到單價(jià)基表面位置從而生產(chǎn)出大晶體；與此同時(shí)二價(jià)自由基位置上，CH3的添加也會(huì)生產(chǎn)出大單晶。

       但研究人員發(fā)現(xiàn)，此過(guò)程中二價(jià)自由基位置上還出現(xiàn)了其它的反應(yīng)烴種，諸如C2H、C2等。這些產(chǎn)物會(huì)在聚晶金剛石薄膜上集聚，從而導(dǎo)致一些頑固的固結(jié)缺陷，甚至是不可蝕刻的。這種表面缺陷要么成為新的外延生長(zhǎng)膜的核植入點(diǎn)，要么就是朝著跟主體產(chǎn)物方向相反的位置生長(zhǎng)出新的微晶。Allan稱(chēng)之為“核植入”，這種情況會(huì)引起金剛石晶體粒度的下降；如果“核植入”經(jīng)常發(fā)生，金剛石粒度則會(huì)從毫米尺寸縮小到微米尺寸，進(jìn)而退化至納米尺寸。

       鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)在重組的二聚物排列上進(jìn)行CH2組的表面遷移，從而進(jìn)行金剛石生長(zhǎng)率的觀察和預(yù)測(cè)。利用MC模式，在典型的CVD金剛石生長(zhǎng)條件下，工作人員獲取到一組單價(jià)基和二價(jià)自由基的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)顯示，金剛石薄膜表面有~10%的碳原子支持單價(jià)基，另有1%的表面碳原子是由二價(jià)自由基組成（兩個(gè)毗鄰的碳原子上的一個(gè)二價(jià)自由基）。該模式還揭示，金剛石晶體的平均粒度取決于襯底溫度，更與原子氫的所有C1烴的濃度比率有重要關(guān)系。研究成果顯示，在蒙特卡洛法實(shí)驗(yàn)下，金剛石晶體粒度成功地由納米尺寸逐漸向微米，進(jìn)而向毫米尺寸變化。        研究利用一維MC模擬將金剛石晶格橫截面以二維形式展現(xiàn)在屏幕上，晶格內(nèi)每個(gè)碳原子用不同顏色的方塊來(lái)表示，代表不同的碳結(jié)合。晶格中充分結(jié)合的碳原子用深藍(lán)色標(biāo)注，而晶格表面被臨時(shí)吸附的碳原子則以綠色標(biāo)注。

       上圖顯示了金剛石薄膜生長(zhǎng)的柱狀特性、慢生長(zhǎng)微晶的繁茂生長(zhǎng)和微晶粒度隨薄膜厚度的增加。

       通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究者在核植入影響和薄膜生長(zhǎng)表面的缺陷形成方面有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解，特別是在微晶金剛石柱狀生長(zhǎng)和納米晶體尺寸的金剛石生長(zhǎng)方面有了更詳細(xì)的掌握。

       通過(guò)對(duì)輸入?yún)?shù)的合理賦值，研究人員能夠得到MC模擬法復(fù)制出的諸多CVD金剛石生長(zhǎng)特性。對(duì)該模擬的進(jìn)一步延伸，諸如復(fù)合粒度的形成，則使得工作人員對(duì)微晶金剛石生長(zhǎng)、納米尺寸金剛石生長(zhǎng)和超納米金剛石生長(zhǎng)有了定性的模擬。

       Yu.A. Mankelevic稱(chēng)，控制微晶尺寸分布的參數(shù)實(shí)則就是一種幾率，也即移動(dòng)的碳種類(lèi)制造出不動(dòng)的、不可蝕刻的表面缺陷從而充當(dāng)關(guān)鍵原子核，為新的金剛石生長(zhǎng)層的生長(zhǎng)亦或新的缺陷微晶的生長(zhǎng)發(fā)揮作用的幾率。（編譯自Diamond & Related Materials）