单晶金刚石作为一种性能优异的半导体材料，在功率器件、深空探测等领域具有广阔的应用前景。然而采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的单晶金刚石通常含有大量的缺陷，尤其是位错，严重限制了其电学性能的发挥。横向外延生长是半导体材料中常用的缺陷调控方法，近年也被应用于金刚石材料制备领域。本研究首先通过金属催化等离子体刻蚀在单晶金刚石籽晶上构造图形阵列，从而为同质外延单晶制备创造横向生长条件；随后通过MPCVD法在此基础上进行单晶金刚石制备，研究了横向外延生长过程并对样品进行了激光共聚焦显微镜、偏光显微镜、Raman光谱和缺陷密度测试。测试表明该方法能够稳定可控的制备图形化生长所需的阵列并降低生长层的缺陷密度。

随着第3代半导体的应用，电子器件向高功率、小型化发展，由此带来的“热”问题逐渐凸显，金刚石由于其超高的热导率及稳定的性质，被认为是最优的散热材料之一。简要介绍了微波等离子体化学气相沉积装备的原理及发展历程，对比分析了不同种类生长设备的差异，对单晶、多晶及纳米晶金刚石在器件散热应用中的现状进行总结，结合第3代半导体总结了金刚石增强散热产业化过程中将面临的性能与尺寸方面的瓶颈问题及金刚石材料“大、纯、快”的发展方向，并对散热应用的未来研究方向做出展望。

微机电系统、深空、深海探测任务等对于长效、便携电源提出了更高的要求。同位素电池由于其能量密度高、功率输出稳定，可以在高低温、无太阳光照等极端环境下持续不断地为月球车、海底探测器等提供能量。作为同位素电池中的主要类型，辐射伏特效应同位素电池由于其理论能量转换效率高、易于微型化被广泛研究，并已经成功应用于心脏起搏器。宽禁带的半导体换能结器件制作的同位素电池能够获得更高的能量转换效率。宽禁带半导体中的代表金刚石具有5.5 eV的禁带宽度与耐辐射的特性，使其成为制作辐射伏特效应同位素电池换能结器件的最佳选择。随着化学气相沉积技术的发展，金刚石晶体的外延技术突飞猛进，为金刚石半导体器件的发展打下了材料基础。本文对比了常见的同位素电池换能结用半导体材料和辐射源材料的特性，介绍了辐射伏特效应的基本原理，接着对辐射伏特效应同位素电池的关键参数进行了分析，并汇总了有关金刚石辐射伏特效应同位素电池研究的文献，通过各个参数，如开路电压、转换效率等的对比，指出了目前金刚石同位素电池发展的状态与存在的问题。通过分析金刚石与其他n型半导体材料组成的异质pn结目前的性能与应用情况，给出了基于金刚石异质pn结的高性能同位素电池的结构设计，并进行了总结与展望。

氮化铝(AlN)纳米结构除了具备AlN本身宽带隙、高热导率、高击穿场强和高热稳定性等优异物理性能外，还具备表面效应和小尺寸效应所引起的独特物理和化学性质，因而受到人们的广泛关注。在国内外研究学者多年的不懈努力和研究下，目前已经能够生长结晶质量较高的AlN纳米结构，并在光学、电学和磁学等领域发挥着重要的作用。在本文中，首先探讨了包括化学气相沉积法、物理气相传输法、直流电弧放电法、氢化物气相外延法、分子束外延法等不同AlN纳米结构制备方法的研究进展。随后系统地总结了在不同方法制备过程中，温度、源、气氛、生长时间和催化剂等因素对AlN纳米结构的形貌和结晶质量的影响，并分析了它们的生长机理。最后还详细介绍和讨论了AlN纳米结构的物理性质。

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术制备的大尺寸、高质量单晶金刚石材料具备卓越的物理化学性能，在珠宝、电子、核与射线探测等消费品、工业和**科技领域极具应用前景。研究发现在化学气相沉积单晶金刚石生长过程中，在衬底与外延层之间，以及生长中途停止-继续生长的生长层之间出现明显的界面区。本文采用偏光显微镜、拉曼光谱、荧光光谱(PL)等手段对界面区域进行了测试分析，界面区在偏光显微镜下表现出因应力导致的亮区，且荧光光谱(PL)及其线扫描显示该区域的NV色心含量远高于衬底及其前后外延层，表明该界面区具有较高的缺陷和杂质含量。结果表明在生长高品质单晶金刚石初期就应当采取一定手段进行品质调控，并尽量在一个生长周期内完成制备。

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备大尺寸高品质单晶金刚石的理想手段之一。然而其较低的生长速率(～10 μm/h)以及较高的缺陷密度(103~107 cm-2)是阻碍MPCVD单晶金刚石应用的主要因素, 经过国内外研究团队数十年的不懈努力, 在高速率生长和高品质生长两个方面都取得了众多成果。但是除此之外还需解决高速率与高品质生长相统一的问题, 才能实现MPCVD单晶金刚石的高端应用价值。

离子注入已被证明是改善蓝宝石光学和机械表面性能的一种可靠方法。本文选择不同能量和剂量的镁/钛离子注入蓝宝石。利用TRIM (Transport of Ion Matter)程序分析了镁/钛离子在蓝宝石晶体中的射程分布。利用拉曼光谱和掠入射X射线衍射分析了损伤层深度和微结构变化。离子注入结果显示，蓝宝 石的纳米硬度、纳米划痕和红外性能等均呈现出可调节的特性。

为了解决碳化硅难以进行光学加工的问题, 该文采用射频磁控溅射方法, 在碳化硅反射镜坯体上沉积与碳化硅具有相近热膨胀系数且易于进行光学加工的硅薄膜。 利用拉曼光谱(Raman)对衬底温度、 射频功率、 衬底偏压等溅射工艺条件对硅膜微结构的影响进行了分析。 研究发现： 随着衬底温度的升高, 薄膜的晶化率先增大后减小； 衬底偏压的增加不利于薄膜有序结构的形成； 射频功率对薄膜微结构的影响比较复杂, 随着功率的升高, 薄膜晶粒尺寸减小, 晶化率降低, 当射频功率进一步升高时, 薄膜中有序团簇尺寸和晶化率逐渐升高。 但过高的射频功率反而不利于薄膜的晶化。

利用磁控溅射制备碳化锗(Ge1-xCx)薄膜, 系统地研究了生长温度(Tg)对所获薄膜成分及性能的影响并揭示了它们之间的内在关系。研究发现所有Ge1-xCx薄膜样品均为非晶结构, 随着Tg从60 ℃增加到500 ℃, 膜中锗含量增加, 而碳含量相对降低, 这种成分的改变增加了膜中组成原子的平均质量, 进而导致薄膜折射率从2.3增加到 4.3, 这种折射率大范围连续可调的特性十分有利于Ge1-xCx多层红外增透保护膜的设计和制备。此外研究还发现, 随着Tg的增加, Ge1-xCx膜中Ge—H和C—H键逐渐减少, 这不但显著减小了薄膜在~5.3 μm和~3.4 μm处的光吸收, 而且显著提高了薄膜的硬度。这些结果表明, 提高生长温度是调制Ge1-xCx 薄膜成分、改善其光学和力学性能的有效途径。

用过滤阴极真空电弧沉积系统制备掺N非晶金刚石(ta-C:N)薄膜,通过在阴极电弧区和沉积室同时通入N₂气实现非晶金刚石薄膜的N原子掺杂,并通过控制N₂气流速制备不同N原子含量的ta-C:N薄膜。用X射线光电子能谱(XPS)和Raman光谱分析N含量对ta-C:N薄膜微观结构的影响。XPS分析结果显示:当N₂气流速从2 cm³·min^-1 增加到20 cm³·min^-1 时,薄膜中N原子含量从0.84 at.%增加到5.37 at.%,同时随薄膜中N原子含量的增加,XPS C(1s)芯能谱峰位呈现单调增加的趋势,XPS C(1s)芯能谱的半高峰宽也随着N含量的增加而逐渐变宽。在Raman光谱中,随N原子含量增加,G峰的位置从1 561.61 cm^-1 升高到1 578.81 cm^-1 。XPS C(1s)芯能谱和Raman光谱分析结果表明:随N含量的增加,XPS C(1s)芯能谱中sp2/sp3值和Raman光谱中I D/I G值均呈上升的趋势,两种结果都说明了随N原子含量增加,薄膜中sp2含量也增加,薄膜结构表现出石墨化倾向。