到目前為止，解決固體激光器的熱管理問題仍然具有挑戰(zhàn)性。在所有已知材料中，金剛石具有最高的熱導率、極其穩(wěn)定的物化性質，這使得金剛石成為熱管理應用的首選材料。近些年來，金剛石與激光晶體的鍵合技術迅速發(fā)展，有效緩解了固體激光器的熱效應，然而該技術對金剛石的平整度和粗糙度的要求極高，給金剛石加工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

       近日，中國科學院上海光學精密機械研究所微納光電子功能材料實驗室研究團隊在金剛石異質外延研究方面取得新進展，相關研究成果以“Heteroepitaxial growth of diamond films on Y3Al5O12 single crystals”為題發(fā)表在Materials Chemistry and Physics Materials Chemistry and Physics上。

       該提出了一種新的熱管理方法，即直接在晶體表面異質外延生長金剛石薄膜。采用微波等離子體氣相沉積(MPCVD)方法，成功地在Y3Al5O12(YAG)襯底上合成了高質量的金剛石薄膜，提高了YAG晶體的熱性能。采用不同的前處理方法和沉積參數(shù)生長金剛石薄膜，其中預處理方法是在晶種步驟之前將襯底暴露在金剛石生長條件下。

       沉積后，詳細研究了生長樣品的質量、熱性能和光學性能，研究了前處理和沉積參數(shù)對薄膜性能的影響。結果表明，在YAG襯底上沉積連續(xù)的金剛石膜需要充分的預處理工藝，而沉積過程中相對較高的溫度和較低的甲烷濃度有利于獲得高質量的金剛石膜。此外，在YAG晶體上沉積金剛石膜可以有效地提高材料的熱導率，而對材料的光學性能影響極小，滿足激光應用的需求，為固體激光器的熱管理提供了新的選擇。

圖1. 不同樣品的表面形貌及其熱學性能

       研究亮點

       采用MPCVD方法在YAG襯底上沉積了連續(xù)的金剛石薄膜。

       研究了沉積條件對金剛石膜質量的影響。

       金剛石的沉積有效地提高了YAG的熱性能。

       沉積過程對YAG的光學性能影響不大。

       文獻信息：

       Heteroepitaxial growth of diamond films on Y3Al5O12single crystals

       Shulong Zhang, Chengchun Zhao, YingZhu, Yifei Fang, Shanming Li, Mingzhu He, Yin Hang

       Materials Chemistry and Physics

       https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.125152