金刚石型结构晶面间距及结构因子的计算

用添加原子的“位置因子S”,得到了金刚石型结构可能的四种面间距。计算了这种结构的结构因子,并分析了晶面间距与结构因子的相关性。讨论了金刚石型结构与面心立方结构间消光条件的差异。

Ib型金刚石单晶生长及合成腔体温度场分布研究

本文利用六面顶压机,在5.7 GPa、1560~1600 K的压力温度条件下,分别采用ϕ15 mm和ϕ30 mm两种尺寸合成腔体,系统开展了Ib型金刚石单晶的晶体生长工作,并借助于有限元法对两种尺寸合成腔体的温度场分布进行了研究。首先,借助于有限元法分别对两种尺寸合成腔体的触媒温度场分布进行了模拟。模拟结果揭示了ϕ30 mm合成腔体温度场的均匀性要明显优于ϕ15 mm合成腔体。其次,金刚石晶体生长实验结果表明,采用ϕ15 mm合成腔体很难实现质量超过1.2 ct(1 ct=0.2 g)的优质Ib型金刚石单晶的生长,而ϕ30 mm合成腔体更适合用于生长大尺寸优质Ib型金刚石单晶。再次,扫描电子显微镜表面形貌测试结果表明,合成腔体尺寸的扩大不会对Ib型金刚石单晶的表面结晶质量产生显著影响。最后,拉曼光谱的测试结果表明,除了多晶金刚石的结晶质量较差,本研究两种腔体合成的其他金刚石单晶测试样品均具有较好的结晶质量。本研究对宝石级金刚石单晶大尺寸合成腔体的设计、大尺寸金刚石单晶的生长,以及多晶种法金刚石单晶合成技术的完善均具有一定的学术参考价值。

Ⅰa型金刚石中水的显微红外光谱研究

天然Ⅰa型金刚石在垂直于 ( 10 0 ) ,( 110 )和 ( 111)三个方向上定向显微红外光谱的定量比较分析表明 :水、片晶和C—C键在以上三个方向上所测得的浓度是不相同的。不同方向上水和片晶浓度的变化趋势基本相同 ,表明样品中水与片晶具有密切伴生的特征。

Ⅱb型金刚石单晶的制备和半导体特性研究进展

Ⅱb型金刚石由于具有极佳的半导体性能,适合于制造高性能电力电子器件,可以在更高的温度和恶劣的环境下正常工作,是一种有发展前途的高温、大功率半导体材料。本文从结构、合成方法、半导体特性和应用等方面阐述了Ⅱb型半导体金刚石的研究现状,在此基础上提出了今后的研究方向。

Ⅱa型优质金刚石大单晶的合成

在触媒KOV(FeNiCo合金 )的基础上加上一定含量的的Ti和Cu ,用温度梯度法首次在国产的六面顶压机上合成出～ 1 5mm高质量的Ⅱa型金刚石单晶。分析了合成Ⅱa型金刚石单晶过程中出现晶体表面熔坑现象的原因。晶种的质量和清洁度导致晶体表面熔坑的一个重要原因。通过降低晶体的生长速度可以避免熔坑的出现。

生长型金刚石复合片(PDC)的制备和残余应力研究

金刚石工具的残余应力大小是评价其性能品质好坏的重要因素之一。实验利用国产六面顶压机，在高温高压的条件下（5．6GPa，1300℃～1500℃），采用熔渗法制备了低残余应力的优质生长型金刚石复合片（PDC）。采用微区拉曼光谱（micro—Raman spectroscopy）测试表征了PDC样品的残余应力分布及大小。研究结果表明，通过制备工艺和组装的优化，制备的生长型PDC样品表面及内部残余应力相对分布均匀，应力值较低，平均数值低于250MPa，远低于文献报道的PDC内部具有870～1400MPa的巨大的残余应力值。

Fe_(70)Ni_(30)粉末触媒中Ⅱa型金刚石大单晶的高温高压合成

在6.5 GPa高压条件下,使用Fe_(70)Ni_(30)粉末触媒研究了Ⅱa型金刚石大单晶的合成。实验结果表明,若不对晶种表面进行保护,高温高压条件下金刚石晶种将发生碳化,致使难以合成出金刚石。当合成腔体中除氮剂Ti/Cu添加量达到2.2wt%时,所合成的金刚石大单晶呈现为无色透明,利用傅里叶显微红外光谱仪(FTIR)对所合成的金刚石大单晶进行了测试,所合成的晶体中不含有氮杂质。然而,FTIR测试结果表明所合成的Ⅱa型金刚石大单晶中有碳-氢基团的存在,其对应的FTIR特征吸收峰分别位于2850 cm^(-1)和2920 cm^(-1)处。此外,所合成的Ⅱa型金刚石大单晶的Raman特征峰位于1132.13 cm^(-1)处,且其结晶度非常高。

合成腔体尺寸对Ib型六面体金刚石单晶生长的影响

利用液压缸直径为550 mm的大缸径六面顶压机,在5.6 GPa,1200—1400?C的高压高温条件下,分别采用单晶种法和多晶种法,开展了Ib型六面体宝石级金刚石单晶的生长研究,系统考察了合成腔体尺寸对Ib型六面体金刚石大单晶生长的影响.首先,阐述了合成腔体尺寸对合成设备油压传递效率的影响,研究得到了设备油压与腔体内实际压力的关系曲线;其次,选择尺寸为Φ14 mm的合成腔体,分别采用单晶种法和多晶种法(5颗晶种),进行Ib型六面体金刚石大单晶的生长实验,研究阐述了Φ14 mm合成腔体的晶体生长实验规律;再次,为了解决液压缸直径与合成腔体尺寸不匹配的问题,将合成腔体尺寸扩大到26 mm,并开展了多晶种法六面体金刚石大单晶的生长研究,最多单次生长出14颗优质3 mm级Ib型六面体金刚石单晶,研究得到了Φ26 mm合成腔体生长3 mm级Ib型六面体金刚石单晶的实验规律,并就两种腔体合成金刚石单晶的总体生长速度与生长时间的关系进行了讨论;最后,借助于拉曼光谱,将合成的优质六面体金刚石单晶与天然金刚石单晶进行对比测试,对所合成晶体的结构及品质进行了表征.

高温高压下Fe-Ni-C-B系合成Ⅱb型金刚石单晶

提出了一种在高温高压下利用粉末冶金方法制备的Fe-Ni-C-B系触媒合金生长Ⅱb型金刚石的新方法.由于硼元素的存在,Ⅱb型金刚石生长所需的温度和压力条件均高于普通的Ⅰb型金刚石,并且合成出的金刚石单晶粒度较粗,晶形稍差,表面结构比较复杂.通过晶体的颜色、X射线衍射以及Raman光谱可以初步断定合成出的金刚石晶体中确实含有硼元素.以金刚石在不同温度下的静压强度和冲击韧性以及差热分析和热重分析的结果来表征金刚石的热稳定性.实验发现,由于硼元素的进入使得Ⅱb型金刚石单晶的热稳定性与采用同种方法合成出的Ⅰb型金刚石相比有了较大程度的提高.采用自制的夹具通过检测金刚石的电阻温度特性,初步确定了在Fe-Ni-C-B系中生长的Ⅱb型金刚石具有半导体特性.大量的实验数据充分说明,采用这种方法生产Ⅱb型金刚石具有成本低廉、操作简单、产品质量稳定等优点,具有极高的工业化推广应用的价值.

Ⅰa型褐色金刚石高温高压改色研究进展

Ⅰa型金刚石是世界上最重要的金刚石种类,约占金刚石总量的98%。利用大腔体压机通过优化温度、压力和时间等因素改善工业用途的Ⅰa型褐色金刚石的体色,是提高其经济价值并满足日益加剧的彩色金刚石市场需求的重要技术手段。但由于受金刚石原料的来源及实验技术条件的限制导致国内高温高压环境下对褐色金刚石的改色处理进展缓慢,并且改色后的金刚石很难达到宝石级别。本文对自20世纪60年代以来国内外对Ⅰa型金刚石高温高压(HTHP)改色处理的研究及所取得的成果进行了总结。已有的研究显示,在伴有塑性变形的基础上,不同结构的杂质氮是主要的致色元素。根据高温高压环境下Ⅰa型褐色金刚石内部杂质氮反应原理以及动力学机理,提出只要设计合理的样品组装方式以及恰当的改色处理所需的温压条件,我国普遍使用的六面顶压机同样具备对Ⅰa型褐色金刚石进行商业化改色处理的潜力。

金刚石-SiC、纳米结构金刚石-TiC、金刚石-金刚石直接成键型聚晶的制备与表征

主要报道金刚石-SiC、纳米结构金刚石-TiC、金刚石-金刚石直接成键型三种典型金刚石聚晶材料的制备与表征,详细叙述了纳米结构金刚石-TiC聚晶的制备过程。对三种金刚石聚晶材料的硬度、热稳定性、导电性进行了分析,并对它们的性能进行了比较。

优质Ⅱb型宝石级金刚石大单晶的高温高压合成

实验在国产六面顶压机上利用温度梯度法合成优质Ⅱb型宝石级金刚石。研究发现在约5.5GPa和约1300℃的条件下,添加剂硼的加入使合成Ⅱb型金刚石的形貌较Ⅱa型宝石级金刚石有较大不同,文章分析了产生该现象的原因;实验还发现随着硼添加量的增加,所合成Ⅱb型宝石级金刚石的颜色由浅变深。结果实验获得了尺寸达4mm的优质Ⅱb型宝石级金刚石大单晶。

在FeNiCo-C系统中生长板状Ⅰb型宝石级金刚石

FeNiCo触媒作为一种合成金刚石的新型触媒材料,在金刚石制造业中有着广泛的应用。而板状宝石级金刚石大单晶由于具有诸多优异性能,在各个领域具有很重要的应用价值。本研究在高温高压条件下,利用温度梯度法在FeNiCo触媒中生长板状的Ⅰb型宝石级金刚石。实验表明,调整晶床高度使金刚石具有适宜的生长速度0.34 mg/h;沿﹛100﹜面生长优质板状Ⅰb型宝石级金刚石的最佳温度区间为1 209～1 216℃;在此基础上合成出尺寸达3 mm的优质板状Ⅰb型宝石级金刚石大单晶。

Ⅱb型宝石级金刚石的表征及半导体特性研究

利用温度梯度法在高温高压国产六面顶压机上成功合成出尺寸达4mm的优质Ⅱb型宝石级金刚石。利用显微红外吸收光谱对所合成的黄色、无色及蓝色宝石级金刚石的氮、硼杂质进行了测试。通过对比分析认为所合成的除氮、掺硼蓝色宝石级金刚石为Ⅱb型。利用四探针法和霍尔效应法对不同掺硼量所合成的Ⅱb型宝石级金刚石半导体性质进行了测试;总结了掺硼量与金刚石半导体性质之间的变化关系;分析认为硼的添加对Ⅱb型宝石级金刚石的半导体特性的变化起到了决定性作用。

采用不同含硼化合物合成Ⅱb型金刚石的试验研究

按照添加等量硼元素的原则,在粉末冶金铁基触媒中加入不同的含硼化合物(硼铁、碳化硼和六方氮化硼),在六面顶压机上进行金刚石合成试验。对合成出的含硼金刚石单晶进行表面形貌、磁化率、冲击韧性以及热重等综合质量对比。结果表明,不同的硼源会相应影响金刚石的生长区间,并进而直接影响金刚石晶体的质量及其主要性能。以六方氮化硼为硼源,可以实现对金刚石的硼、氮复合掺杂,合成出的金刚石晶体质量较高,性能较为优异。碳化硼次之,而用硼铁合成的金刚石晶体因杂质较多,导致质量和力学性能降低,合成效果较差。

用温度梯度法生长优质Ⅱa型金刚石大单晶

利用温度梯度法在国产六面顶压机上合成优质Ⅱa型宝石级金刚石。除氮剂T i(Cu)的加入使合成金刚石的温度区间变窄且晶体生长更易俘获金属包裹体,通过采用稳定的组装、降低生长速度而获得了优质Ⅱa型金刚石大单晶。

铝对生长Ⅱa型宝石级金刚石的影响

对于高温高压温度梯度法合成金刚石来说,在触媒中添加除氮剂(Ti、Al等),可以合成无色的IIa型宝石级金刚石。实验使用国产六面顶压机和NiMnCo溶媒通过温度梯度法来合成Ⅱa型宝石级金刚石,主要研究了除氮剂铝对生长Ⅱa型宝石级金剐石的影响。由于铝的添加使得合成出的金钢石出现熔坑,并带有颜色等现象。大量实验表明:氮化铝的分解和过量铝的掺入是颜色和熔坑产生的原因。实验通过在约1210℃的低温区生长、降低生长速度至0．41mg／h,使金刚石的颜色和熔坑问题有了明显的改善。所以在用Al做除氮剂生长Ⅱa型宝石级金刚石时,为获得优质单晶,应以较低的生长速度在低温区生长晶体。

Ⅱa型宝石级金刚石大单晶研究最新进展

用合金触媒利用温度梯度法合成优质Ⅱa型宝石级金刚石。研究发现,在约5.4GPa和约1300℃的条件下,除氮剂的加入使合成金刚石的温度区间变窄及金刚石晶体生长过程中更易俘获包裹体而出现熔坑,从而影响晶体的生长速度。实验解决了组装的稳定性问题;并通过调整组装,在除氮剂合适的掺入量下,使合成优质金刚石的最大生长速度达到2.16mg/h。结果实验获得了4.3mm的优质Ⅱa型金刚石大单晶。红外测试分析表明该金刚石含氮量小于10^(-7)。

微晶石墨对Ⅱa型宝石级金刚石单晶生长的影响

将除氮剂Ti(Cu)添加到FeNiCo合金触媒中在高温高压下合成出优质Ⅱa型宝石级金刚石单晶。在压力5.4GPa、温度1600K的条件下沿{111}面合成Ⅱa型宝石级金刚石过程中伴随有黑色粉末析出。采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对该黑色石墨粉末的测试表明其为微晶石墨。随着生长时间的延长,这种微晶石墨粉末形成小帽覆盖在金刚石上使金刚石的平均生长速度从30h的1.15mg/h降为50h的0.75mg/h。采取一定工艺措施大大降低了微晶石墨的析出,避免了其对金刚石生长速度的影响。