单晶金刚石是一种集众多优良性质于一身的晶体材料，其在室温下拥有超高的热导率，且兼具良好的绝缘性能和较低的热膨胀系数，是半导体器件的理想散热材料；金刚石中氮原子杂质与空位形成的色心，在室温下即可通过微波场和光学手段实现自旋量子态初始化、运算操控和状态读出，从而成为量子信息技术中研究的热点；同其他宝石一样，单晶金刚石也是优秀的激光晶体材料，尤其是在拉曼激光器中，其具有较大的拉曼增益；金刚石享有“终极半导体”材料的美誉，在电子级单晶金刚石的基础上，相应的器件、表面终端、探测器等应用研究取得重要进展，在未来将有希望应用于深空探测、高频通讯、电动汽车快速充电等领域。微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)是目前制备大尺寸、高品质单晶金刚石的理想方法，然而较慢的晶体生长速率（数微米每小时）是阻碍其大规模工业应用的瓶颈问题之一。根据MPCVD单晶金刚石的生长机理，通过提高等离子体的能量密度，促进氢气和甲烷原料气体解离，进而提高原子氢和甲基的基团浓度，是提高MPCVD单晶金刚石生长速率的有效途径之一。哈尔滨工业大学朱嘉琦教授课题组通过特殊形状的等离子体聚集装置设计，在常规的微波功率和舱体气压条件下实现了高能量密度的单晶金刚石快速生长。
该研究首先采用磁流体动力学(MHD)模型仿真分析，将等离子体聚集装置作为舱体金属边界条件的一部分，计算舱内电场分布及电子密度分布。通过优化设计，仿真结果表明在聚集装置条件下核心电场强度和电子密度是普通条件下的3倍。随后基于仿真模拟结果，该研究搭建了MPCVD金刚石生长系统并进行了等离子体聚集装置的实验验证，采用光谱分析和等离子体成像的手段对等离子体性状进行了研究，结果表明在常规的微波功率(3500 W)和舱体气压(18 kPa)条件下，采用聚集装置也能获得高能量密度(793.7 W/cm3)的等离子体，与模型计算结果相吻合。
同时，该研究采用上述方法成功实现了高能量密度条件下的单晶金刚石快速制备，并通过光学显微镜、拉曼光谱对生长样品进行测试。高能量密度生长条件并不会对单晶金刚石生长形貌产生较大的影响，但一定量氮气的加入能够显著改变生长形貌，并影响晶体质量。最终，该研究将MPCVD单晶金刚石的生长速率提高至97.5 μm/h。该研究通过仿真模拟与实验相结合的方式，提供了一种提高MPCVD单晶金刚石生长速率的途径，并分析了高能量密度条件下晶体生长特点，对大尺寸、高品质单晶金刚石的快速制备具有重要的指导意义。
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