本文综述了直流电弧喷射等离子体增强化学气相沉积(DC Acjet plasma enhanced CVD)金刚石技术的发展历史和研究现状,明确提出了等离子体性状在CVD金刚石过程中是影响沉积物形貌、质量和生长速度的重要因素的观点。采用大功率直流电弧喷射等离子体沉积设备,制备了多晶金刚石自支撑膜,包括微米晶、纳米晶、超纳米晶自支撑膜。利用扫描电镜、拉曼光谱、X射线衍射仪以及透射电镜,研究了所制备多晶膜体的形貌、质量以及晶体学性质,发现了CVD金刚石膜生长面的一种“菠萝状”新形貌,这种形貌是由纳米晶构成的、各个纳米晶粒之间存在着无定形碳,占优晶面为(100)晶面,这是金刚石膜体从微米晶向纳米晶过渡时的一种中间态形貌,同时实验结果也表明,等离子体的不同部位在衬底上会形成不同的沉积区。利用光发射谱(OES)诊断了直流电弧喷射等离子体的成分,研究了等离子体成分在沉积区域的空间分布和在沉积时间内的浓度演化。实验结果显示不同基元的光发射存在固定的峰位,虽然强度会随着反应气体的流量比不同而发生变化,但是同种基元的谱峰形状和谱峰位置不变,这表明直流电弧喷射等离子体具有稳定的等离子体成分。通过开发精细OES方法,对近生长表面的等离子体也进行了诊断,结果发现：在沉积区域内,等离子体中各基元的光发射强度会随着空间位置的不同而不同,其中距离沉积面的高度对光发射强度的影响最大,当距离超过5毫米后,光发射强度变化不大,但是在近表面5mm以下时,光发射强度变化显著。等离子体中的基元光发射强度随时间的延长会发生波动,当沉积时间小于30小时,C2与CH光发射强度的比值近似等于2.08,超过30小时,C2与CH光发射强度的比值会单调增加。利用计算机模拟分析技术模拟了不同参数下的等离子体流动特性,包括流场、温度场、压力场。模拟结果显示,在衬底近表面的等离子体可以分为两个区域,一个是滞止区,一个是沿壁射流区。在射流距离一定时,随着射流速度加大,滞止区变小,同时沿壁射流区的边界层厚度也减小；在射流速度一定时,随着射流距离的增大,滞止区变大,沿壁射流区的边界层变厚。当射流速度一定时,温度场随着射流距离变大而变得不均匀,当射流距离一定时,温度场又会随射流速度变大而变得均匀。滞止区压力最大,在沿壁射流区压力会随着距离的变长而减小。研究了直流电弧技术在高CH4/H2条件下的同质形核孕育期。利用FIB、 TEM、HREM、EELS等离线技术分析了在多晶金刚石上进行金刚石早期沉积的情况,发现金刚石形核之前存在一个非晶碳层,随后金刚石的晶核在这层非晶碳中形成,形成的晶核尺寸在2-3nm左右。根据模拟计算结果,设定了精细OES的测量点,结果表明在大碳氢比条件下的金刚石沉积早期,边界层中的C2基元的光发射强度会发生变化,在一定时间中会有明显的波动现象。结合离线技术的检测结果,可以判明这些波动与金刚石的形核有关。根据OES的结果可以推断,在大的FCH4/FH2条件下(>15%),CVD金刚石的形核孕育期在6-8分钟,且随着FCH4/FH2增大,孕育期缩短。OES的结果同时也表明,在金刚石衬底上的形核是爆发式的形核。在天然金刚石的(100)面上采用“定态”和“动态”两种生长模式制备了毫米级单晶金刚石颗粒,其中“定态”生长模式工艺简单,但是籽晶的装夹方式是保证生长能否继续的关键因素。“动态”生长模式可以通过改变衬底沉降速度来操控生长速度,单晶的生长速度随着衬底沉降速度的增加而增加,但是过快的衬底沉降速度会导致由应力诱导的ATG型形貌,进而引发多晶生长。在“动态”生长模式中,单晶的生长速度可以达到52μm/h。