单晶金刚石是一种宽禁带材料并具有独特优异的性质，例如较高的击穿电场( 10 MV/cm) ，非常高的电子和空穴迁移率，以及非常卓越的热传导率。目前，随着微波等离子体化学气相沉积技术( MPCVD) 的发展，人造单晶金刚石的技术越来越成熟，所生产的单晶金刚石各方面的性能与天然的单晶金刚石所差无几，因此人造单晶金刚石在光学、电子学、宝石学以及其他方面的学科具有广泛的应用。人造单晶金刚石的制备面临的主要问题是单晶金刚石的生长速率与生长质量之间存在反比关系，若想获得质量较好且表面平整光滑的单晶金刚石，其生长速率最高只能达到每小时几微米。而提高单晶金刚石的生长速率主要方法是提高等离子体密度或者在工作气体中添加大量的氮气。
先前的实验通过使用含有双基片台结构的微波谐振腔体来提高等离子体密度，使得单晶金刚石的生长速率有了大幅度的提升，最快可达24μm /h，且质量较为良好。但由于无法进一步提高耦合效果等限制因素，单晶金刚石的生长速率无法进一步提升。有研究表明，少量氮气的添加可以明显提高单晶金刚石的生长速率且单晶金刚石的生长速率随着氮气浓度的升高而升高。然而，当氮气浓度较高( 浓度达到上千 ppm)时，单晶金刚石的杂化方式会逐渐转向 sp2 杂化并且出现无规则的晶体形态，使得单晶金刚石的质量降低。虽然大量氮气的添加有利于增加单晶金刚石的生长速率，缩减生长周期，但是也同样会改变单晶金刚石的光学性质以及颜色，有研究表明，随着氮气浓度的升高，单晶金刚石的颜色逐渐变为黄色或者褐色。
在低浓度氮气的条件下，氮原子就可以通过取代单晶金刚石内部的晶格格位从而改变单晶金刚石的化学、物理以及电学性质。通过实验研究发现添加少量的氮气( 浓度低于 10 × 10 － 6) ，单晶金刚石的生长速率较添加前增长了 2 倍左右且质量良好。本实验旨在通过等离子体发射光谱、拉曼光谱等测试手段分析在 CH4和 H2 工作气体中添加低浓度的氮气对等离子体的影响，通过分析等离子体内部基团强度的变化探究添加氮气对单晶金刚石生长机理的影响，同时探究出单晶金刚石的生长速率与生长质量之间的最佳平衡点。
不同浓度的氮气对等离子体发射光谱以及等离子体基团的影响，通过分析等离子体内部基团强度的变化探究添加氮气对单晶金刚石生长机理的影响，同时探究了氮气浓度对单晶金刚石生长速率以及生长质量的影响。探究发现，氮气的添加对于等离子体内基团的种类并没有明显改变，但随着氮气浓度的升高，CN 基团的基团强度具有明显升高的趋势，C2基团的基团强度不断降低，而单晶金刚石的生长速率是不断增加的。因而我们认为，氮气促进单晶金刚石生长的主要机理并不是通过提高甲烷的离解度来产生更多的 C2 基团从而提高C2基团的密度，而是作为一种催化剂释放电子提供额外能量加快单晶金刚石表面的化学反应来促进单晶金刚石的生长。当氮气浓度低于 0. 5% 时，生长后的单晶金刚石内部含有的非金刚石相较少，单晶金刚石特征峰的半高宽较小，质量良好。但当氮气浓度超过 0. 8% 时，单晶金刚石的生长速率逐渐趋近于饱和，且非金刚石相不断增多，生长质量不断降低，因而通入氮气的最佳浓度应该低于 0. 5% 。
