一种高浓度钕掺杂单晶金刚石及其处理方法

本发明属于激光材料，尤其涉及一种高浓度钕掺杂单晶金刚石及其处理方法。

背景技术：

1、大功率激光技术在武器装备和材料加工等关系国家安全和国民经济的众多领域具有重要应用，世界发达国家均在该领域投入了大量资源，国际竞争态势已经形成。

2、激光材料是大功率激光技术的重要物质基础。传统激光材料随着激光功率的持续提升会造成激光材料的热积累，引起热致双折射、热透镜等热畸变效应，降低输出激光的光束质量，越来越难以满足应用领域对激光功率持续提升的迫切要求。

3、因此，传统激光材料已越来越无法满足如今大功率激光技术的要求，研究出新型激光材料是一种提升激光功率的有效途径。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高浓度钕掺杂单晶金刚石及其处理方法，可以将钕源掺杂到金刚石中，形成大功率激光增益介质，以提升激光材料的热负载能力。

2、本发明采用以下技术方案：一种高浓度钕掺杂单晶金刚石的处理方法，包括以下步骤：

3、在金刚石衬底上生长本征层；

4、采用微波等离子体化学沉积法在本征层上交替生长第一钕掺杂单晶金刚石层和第二钕掺杂单晶金刚石层；其中，生长第一钕掺杂单晶金刚石层时钕源加热温度为390℃～410℃，腔压145～155torr，功率为2300～2500w；生长第二钕掺杂单晶金刚石层时钕源加热温度为190℃～210℃，腔压145～155torr，功率为2300～2500w；

5、对生长有第一钕掺杂单晶金刚石层和第二钕掺杂单晶金刚石层的单晶金刚石进行退火处理，退火温度为1200℃～1300℃，得到高浓度钕掺杂单晶金刚石。

6、进一步地，退火处理包括升温过程、保温过程和降温过程；

7、升温过程中，功率增加速度为300w/min，功率升至3900～4100w，腔压升高速率为10torr/min，腔压升至为145～155torr；

8、保温过程中，功率为3500～4100w，腔压为145～155torr，保温时间50～70min；

9、降温过程中，功率降低速度为300w/min，功率降至0w，腔压降低速率为10torr/min，腔压降至为3～5torr。

10、进一步地，生长第一钕掺杂单晶金刚石层和第二钕掺杂单晶金刚石层时通入的气体为氢气、甲烷和气态钕源的混合气体，升温过程中气体流速逐渐增加，保温过程中混合气体流速为500sccm，降温过程中气体流速逐渐降低。

11、进一步地，在金刚石衬底上生长本征层时腔压为85～95torr，功率为1100～1300w，总气体流量为500sccm，气体为氢气和甲烷的混合气体。

12、本发明的另一种技术方案：一种高浓度钕掺杂单晶金刚石，采用上述的方法制得。

13、进一步地，高浓度钕掺杂单晶金刚石的钕掺杂层中钕元素浓度大于等于1018atoms/cm3。

14、本发明的另一种技术方案，一种高浓度钕掺杂单晶金刚石的用途，高浓度钕掺杂单晶金刚石用作激光材料。

15、本发明的有益效果是：本发明通过在金刚石衬底上生长本征层，再在本征层上交替生长第一钕掺杂单晶金刚石层和第二钕掺杂单晶金刚石层，最后通过退火处理降低钕原子掺杂的形成能，提高钕原子的掺杂效率，从而提升钕掺杂浓度，且可以增加掺杂层的厚度，实现高浓度钕掺杂金刚石的制备，进一步解决了现有的激光晶材料面临的热畸变问题。

技术特征：

1.一种高浓度钕掺杂单晶金刚石的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高浓度钕掺杂单晶金刚石的处理方法，其特征在于，所述退火处理包括升温过程、保温过程和降温过程；

3.如权利要求2所述的一种高浓度钕掺杂单晶金刚石的处理方法，其特征在于，生长第一钕掺杂单晶金刚石层和第二钕掺杂单晶金刚石层时通入的气体为氢气、甲烷和气态钕源的混合气体，升温过程中气体流速逐渐增加，保温过程中混合气体流速为500sccm，降温过程中气体流速逐渐降低。

4.如权利要求2或3所述的一种高浓度钕掺杂单晶金刚石的处理方法，其特征在于，在金刚石衬底上生长本征层时腔压为85～95torr，功率为1100～1300w，总气体流量为500sccm，气体为氢气和甲烷的混合气体。

5.一种高浓度钕掺杂单晶金刚石，其特征在于，采用权利要求1-5任一项的方法制得。

6.如权利要求5所述的一种高浓度钕掺杂单晶金刚石，其特征在于，所述高浓度钕掺杂单晶金刚石的钕掺杂层中钕元素浓度大于等于1018atoms/cm3。

7.一种高浓度钕掺杂单晶金刚石的用途，其特征在于，所述高浓度钕掺杂单晶金刚石用作激光材料。

技术总结
本发明公开了一种高浓度钕掺杂单晶金刚石的处理方法，包括以下步骤：在金刚石衬底上生长本征层；采用微波等离子体化学沉积法在本征层上交替生长第一钕掺杂单晶金刚石层和第二钕掺杂单晶金刚石层；对生长有第一钕掺杂单晶金刚石层和第二钕掺杂单晶金刚石层的单晶金刚石进行退火处理，得到高浓度钕掺杂单晶金刚石；本发明通过在金刚石衬底上生长本征层，再在本征层上交替生长第一钕掺杂单晶金刚石层和第二钕掺杂单晶金刚石层，最后通过退火处理降低钕原子掺杂的形成能，提高钕原子的掺杂效率，从而提升钕掺杂浓度，且可以增加掺杂层的厚度，实现高浓度钕掺杂金刚石的制备，进一步解决了现有的激光晶材料面临的热畸变问题。

技术研发人员：王宏兴,李奇,张卓辉,张朝阳,张倩文,王艳丰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25