硫协同掺杂金刚石单晶的合成

金刚石是目前世界已知物质中集最大硬度、最大热导率、最小压缩率、最宽透光波段、最快声速、抗强酸强碱腐蚀、抗辐射、击穿电压高、载流子迁移率大等多种优异性能于一体的极限性功能材料,广泛应用于工业、科技和国防等领域。掺杂金刚石单晶除具有金刚石本身的优异性能外,还赋予金刚石新的功能特性,引起了科研工作者的广泛关注。硫元素在天然和人工合成金刚石中具有独特的角色,不但其本身可作为合成金刚石的触媒,而且在调配金属触媒特性方面具有独特作用。硫协同掺杂金刚石单晶在调控金刚石内部色心、探索n型金刚石的制备等方面也起着重要作用。文章着重介绍课题组多年来在铁基含硫体系合成工业金刚石单晶,以及硫协同掺杂大尺寸金刚石单晶方面的研究进展。

La_(2)O_(3)刻蚀对金刚石单晶性能的影响

以氮气为保护气氛,在820~980℃下用La_(2)O_(3)刻蚀人造金刚石单晶表面,研究稀土氧化物La_(2)O_(3)刻蚀对人造金刚石单晶性能的影响。利用扫描电子显微镜观测刻蚀后金刚石单晶不同晶面的表面形貌,通过人造金刚石单晶表面粗糙度、单颗粒抗压强度、抗冲击韧性和铜基结合剂金刚石节块抗弯强度来表征刻蚀前后金刚石单晶性能的变化。结果表明:La_(2)O_(3)对金刚石{100}面和{111}面的刻蚀是各向异性的;当刻蚀温度从820℃升高到980℃时,{100}面表面粗糙度从0.40μm增加至2.28μm,{111}面表面粗糙度从0.70μm增加到3.32μm,金刚石单颗粒的抗压强度由未刻蚀金刚石的576 N降低到最小530 N,冲击韧性由92.94%下降到89.21%。当金刚石体积分数为5%时,刻蚀后金刚石节块的抗弯强度增幅达到17.9%。

人造含硼金刚石单晶表面形貌与生长机制研究

本文借助Olympus光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对高温高压合成的含硼金刚石单晶表面形貌进行了分析。研究发现,含硼金刚石表面存在蚀坑、球形颗粒集团、平行台阶、花瓣状生长丘和三角形螺旋台阶等多种表面形貌。这些形貌与晶体内部的缺陷有关,硼原子的进入使金刚石晶体生长速度增加,位错增多,进而导致不同表面形貌的形成,螺旋位错生长是含硼金刚石的主要生长方式。

高速生长CVD金刚石单晶及应用

文章简要地介绍了近年来国内外CVD金刚石单晶的高速生长和应用进展。实验中采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)方法,同质外延高速生长金刚石单晶,通过改变反应腔压强、反应气氛(在CH4/H2中引入氮气N2、二氧化碳CO2、氧气O2、)等,调制单晶生长速率、质量、颜色、表面粗糙度、光谱等特性。利用高温氢等离子体进行退火,可使金刚石单晶的颜色有很大的改善。研制了CVD金刚石单晶刀具,用于金属材料的曲面镜面加工。

铁基金属包膜内Fe_3C的行为与高温高压金刚石单晶生长

利用电子探针、X射线衍射和扫描电镜等手段,表征了包围着高温高压金刚石单晶的铁基合金触媒和铁基金属包膜的组织结构.结果表明:随合成时间增加,金属包膜内呈现出越来越少的条状Fe_3C组织;金刚石生长较好时,包膜内则未发现条状Fe_3C.利用余氏理论分析了Fe_3C晶格内C—C键组成晶面和与之对应的金刚石晶面的共价电子密度,发现它们在一级近似下存在连续性,满足程氏理论提出的原子界面边界条件.据此分析认为,高温高压金刚石单晶的生长与铁基金属包膜内的Fe_3C分解有关.

铁基触媒中金刚石单晶的生长对初生渗碳体的消耗

利用扫描电子显微镜观察了不同合成时间的金刚石合成效果以及相应触媒的组织结构,结果表明:随着压力、温度的升高,铁基触媒全部熔化为液态后约20秒内,熔体对碳的溶解度可达到极大的过饱和程度,生成数量极大的初生渗碳体,同时,金刚石单晶在这种环境中生成。随着时间的延长,金刚石单晶长大、数量增多,熔体对碳的过饱和程度逐渐降低。触媒组织中的初生渗碳体量逐渐减少。分析表明:石墨碳与触媒首先发生冶金反应生成初生渗碳体,在高温高压作用下,初生渗碳体分解,碳原子脱溶,然后堆积到金刚石上。金刚石的生长通过对初生渗碳体的消耗得以进行。

金刚石单晶的化学气相沉积制备及其在粒子探测器件中的应用

自2002年世界上第一颗采用化学气相沉积(CVD)方法制备的大尺寸金刚石单晶被报道之后,碳材料领域在世界范围内再一次掀起了CVD金刚石的研究热潮,单晶CVD金刚石也成为与石墨烯研究热度相当的又一种碳材料。几乎同时,将这种优异的材料在各个可能的相关领域进行应用的研究也随之被广泛地开展起来,这些研究工作逐渐表明:在新世纪单晶CVD金刚石将在能源、太空、信息等领域得到广泛的应用,其对社会生活、国家安全和科技进步将产生巨大的影响。本文在结合我们自己的工作基础上,综述了国内、外在单晶CVD金刚石制备领域的进展及其在粒子探测器件领域的应用。

两面顶金刚石单晶耐热性分析

本文通过热失重(TGA),示差扫描量热(DSC)法,扫描电镜(SEM),热侵蚀等方法分析了国产两面顶压机合成的金刚石单晶在空气中的耐热性。还分析了热侵蚀后金刚石的形貌变化并进行了抗压强度、TI、TTI的测量,将国产金刚石与进口金刚石作了大量的对比试验,发现两者的耐热性非常接近。发现金刚石的起始氧化温度在700℃左右,此时开始失重;剧烈氧化温度在850℃左右,此时失重最为严重。在加热温度超过1200℃时在DSC图中出现了第二个放热峰,表明金刚石在受热温度超过1200℃时经历了第二次剧烈氧化阶段。这可能是由于在高温下触媒的反催化作用引起的。这为金刚石工具制造者及使用者提供了参考价值。

温度对铁粉催化腐蚀人造金刚石单晶的影响

在无流通气体条件下采用铁粉催化腐蚀人造金刚石单晶,研究了不同温度对铁粉催化腐蚀人造金刚石单晶表面腐蚀形貌、腐蚀深度和物质结构的影响,并对腐蚀过程中金刚石所表现出来的各向异性进行了分析。结果表明:当金刚石和铁粉的质量比为1∶2时,腐蚀后金刚石表面的P-V值随着温度的升高而增大;在相同温度下,{100}面比{111}面腐蚀严重;当温度达到960℃时,{100}面和{111}面的P-V值分别为3.75μm和2.77μm。金刚石表面腐蚀后的形貌与对应晶面的碳原子排列有关,{100}面倾向于形成倒立金字塔形的腐蚀坑,而{111}面则会形成轮廓为三角形或六边形的腐蚀坑。

含硼金刚石单晶制备的研究进展

向人造金刚石中掺杂硼元素可以使金刚石获得比普通金刚石更为优异的物理和机械性能,同时还可以使金刚石具有半导体特性。国内外在含硼金刚石薄膜领域的研究较为深入,相对而言,在含硼金刚石单晶方面的研究较少,尤其是关于制备方法的研究。摸索总结出一种工艺简单、成本低廉、产品质量稳定的含硼金刚石制备方法对于丰富人造金刚石的品种,提高其品质,拓展其应用乃至从总体上提升我国人造金刚石行业的技术水平都有十分重要的意义。本文主要总结了目前国内外生产含硼金刚石单晶的七种方法,分析了他们各自的优缺点,同时简要介绍了作者所在课题组在含硼金刚石制备方法的研究方面所作的一些工作。本文指出了含硼金刚石单晶制备工艺进一步研究的方向和重点,同时对含硼金刚石单晶的应用前景作了展望。

拉伸法评价钎料/金刚石单晶颗粒的界面结合特性

钎料/金刚石单晶颗粒界面结合特性的评价及结合强度的测定是金属结合剂金刚石工具研究和应用中的关键性问题。根据这方面研究工作的现状,本文提出一种新的测试方法,即采用单层金刚石颗粒平面紧密排布方式将金刚石单晶颗粒通过钎料与基体钎焊,制备拉伸试样,通过拉伸试验测得钎焊单层金刚石颗粒与基体的结合强度,再结合断口的微观分析对钎料/金刚石单晶颗粒的界面结合特性进行评价。

直流喷射电弧等离子体制备金刚石单晶的研究

通过利用光发射谱技术,探测了大功率直流喷射电弧等离子体增强化学气相沉积方法中沉积区域的气相激元分布,进而优选了金刚石生长的位置。在沉积过程中,不断使衬底做背向等离子体的运动,实现了大颗粒金刚石的连续生长,颗粒尺寸达到约1 mm3。采用劳厄背反射X射线衍射测试技术和拉曼谱技术,对所制备的样品进行了测试,结果表明:所制备的颗粒为金刚石单晶。对于大尺寸衬底,研究了背向运动速度对沉积晶体的形貌和质量的影响,发现了ATG型不稳定形貌。

切削镁铝合金用金刚石单晶刀具的制备和切削研究

选择合适的金刚石单晶,通过选料、定向、切割、装卡、粗磨、精磨和检验等工序来制备加工镁铝合金的金刚石单晶刀具。采用正交试验法分析刀具前角、车床转速、进给量对加工材料的表面粗糙度和刀具磨损的影响。结果表明:这三个因素中,对表面粗糙度有显著影响的是转速,其次是刀具前角,最后是进给量;对刀具磨损的影响显著程度依次是刀具前角、转速和进给量。综合其他因素,加工镁铝合金的金刚石刀具最佳工艺参数为前角10°、转速3900r/min、进给量0.08mm/r。。

直流电弧等离子体喷射法生长大尺寸金刚石单晶

化学气相沉积(CVD)大尺寸高质量金刚石单晶是近年来在CVD金刚石膜研究领域所取得的重大研究进展之一。迄今为止的研究,绝大多数都是采用微波等离子体CVD,在高腔压下(10~30kPa)进行的。这是因为,在高腔压下,微波等离子体球急剧收缩,从而能够提供高质量金刚石外延生长所需要的高原子氢浓度。借助电弧放电的极高温和旋转电弧设计,直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet)能够在更大衬底面积范围提供可与之相比拟的原子氢浓度,因此有可能成为一种低成本的CVD金刚石外延生长方法。文章介绍了近年来采用高功率直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet)生长大尺寸、高质量金刚石单晶的初步研究结果,并介绍了已经取得的进展和存在的问题,以及对未来的展望。

金刚石单晶/镍基金属包膜界面的相结构和形貌

利用透射电镜和原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)研究了高温高压合成金刚石过程中金刚石单晶/镍基金属包膜的界面结构和形貌。分析表明金刚石/金属包膜界面包膜一侧由Ni3C,Mn23C,γ(Ni,Mn)和纳米级金刚石颗粒组成,未发现石墨结构;金刚石晶面的AFM形貌与所对应的包膜表面形貌相近,但又不互为负形;金刚石(100)晶面为细小的颗粒状表面,而(111)晶面呈现出有台阶的平直表面。结果表明金刚石的生长不是源于石墨结构的直接转变。在高温高压下,金刚石/包膜界面至包膜熔体的温度梯度差异导致了金刚石晶面形貌的不同。

铁基触媒合成含硼金刚石单晶颗粒的电阻-温度特性

以铁基合金掺入硼铁粉为触媒剂,石墨为碳源,在高温高压条件下合成含硼金刚石。光学显微镜和Ram an散射仪观察了金刚石的表面形貌与晶体结构。用自制的电阻-温度测量仪对金刚石进行电阻-温度曲线进行测量,结果表明,随着温度升高,电阻逐渐降低,证明该金刚石具有负的电阻温度系数;继续升温,金刚石内的杂质发生电离,当杂质全部电离时,金刚石处于半导体的饱和区;温度进一步升高,金刚石进入本征电离区。

DFZY型金刚石单晶及复合片冲击破碎能测定仪

本文主要介绍本科研组研制成功的DFZY型金刚石单晶及复合片冲击破碎能测定仪及利用该测定仪对单晶金刚石和复合片所进行的试验研究，从而得出了：金刚石动强度和静强度的关系；金刚石动强度随其粒度的变化关系；受力状态对金刚石抗动载性能的影响。

高温高压合成硼掺杂金刚石单晶的抗氧化性能研究

工业金刚石单晶的高温抗氧化性是决定其应用领域的重要技术指标。以石墨为碳源,Fe-Ni-B-C合金为触媒,在5.0GPa和1570K的高温高压条件下合成了硼掺杂金刚石单晶。通过测试该金刚石的热蚀率、静压强度、冲击韧性、起始氧化温度和金刚石受热后的表面形貌,研究了含硼金刚石的抗氧化性,并与常规金刚石单晶进行了对比。结果表明,硼掺杂金刚石单晶的高温抗氧化性以及静压强度和冲击韧性均明显优于常规金刚石单晶。

金刚石单晶合成工艺与铁基触媒中初生Fe_3C形貌的关系

利用光学显微镜和X射线衍射等手段,表征了高温高压下合成金刚石单晶时不同合成工艺的铁基触媒合金组织结构。结果发现:金刚石合成效果较好时的触媒组织中Fe3C呈规则的条状,而合成效果不好时的触媒组织中局部出现了不规则的团絮状Fe3C。分析认为,Fe3C在不同的结晶条件下表现出不同的生长行为,高温高压下金刚石单晶的生长与触媒中Fe3C的生长行为有密切关系。

MnO2对金刚石单晶的刻蚀研究

在不同温度下,将金刚石在空气中单独刻蚀或与MnO 2混在一起刻蚀,用表面形貌、刻蚀面积和单颗粒抗压强度来表征单晶表面刻蚀程度。结果表明:MnO 2和空气都能刻蚀人造金刚石单晶表面,且随刻蚀温度升高刻蚀加剧。在相同刻蚀温度下,用MnO 2刻蚀时,单晶的{111}面比{100}面刻蚀严重;而在空气中,其{100}面比{111}面刻蚀严重。金刚石单晶刻蚀后其{100}面易形成四边形坑,{111}面易形成金字塔形刻蚀坑。且MnO 2刻蚀剂能够对金刚石表面刻蚀起促进作用,使刻蚀面积增大和最大刻蚀速率对应的温度降低,导致金刚石单颗粒抗压强度大幅下降。