Study on synthesis and electrical properties of slab shape diamond crystals in FeNiMnCo-C-P system under HPHT

This paper reported the synthesis of slab shape diamond crystals with phosphorus doping from FeNiMnCo-C system in cubic anvil high pressure apparatus (SPD-6 × 1200) at 5.6 GPa and 1250–1320 °C. It was attributed to the presence of additive phosphorus that the temperature region of synthetic sheet cubic diamond increases evidently. With the increase of phosphorus content, the surfaces of the slab shape diamond crystals became rough. The results of Raman spectroscopy indicated that the diamonds doped by more phosphorous have more crystal defects and impurities. Furthermore, the electrical properties of the large diamond crystals were tested by a four-point probe and the Hall Effect method. It was shown that the large single crystal samples were n-type semiconductors. This work enriches the application of the slab large diamond crystals.     

高品级工业金刚石的亚稳区合成

本文以SPD6×1200型六面顶压机为金刚石的合成设备,采用升压至成核压力,成核后再降压到金刚石的亚稳区的特殊工艺进行金刚石的合成。在高温高压条件下合成出了晶体形貌完好的优质金刚石单晶。sEM结果表明：与传统工艺合成的金刚石相比较,亚稳区内合成的金刚石晶体的缺陷明显变少,表面平滑度增强。还将亚稳区内合成的金刚石与传统工艺合成的金刚石的粒度值进行了比较,在相同生长时间下,亚稳区内合成的金刚石粒度明显小于传统工艺合成的金刚石,即亚稳区内金刚石的生长速度变慢。最后,本文还对特殊工艺与传统工艺下金刚石生长的区别机理进行了分析讨论。     

压力、功率梯度对金刚石性能的影响

本文旨在研究两面顶合成工艺中金刚石在生长阶段通过改变压力、功率梯度实现改变生长驱动力后对金刚石性能的影响,分析了相应的影响机理。在间接加热腔体结构中,金刚石生长过程采用两种压力、功率梯度进行合成,合成后对所得的样品进行了静压强度、冲击强度、表面形貌检测。结果表明：生长前期的压力和功率梯度增加两倍,生长后期梯度减缓,TTI和TI分别增加了10％。研究认为生长早期压力、功率大梯度（压力增幅大,功率降幅大）有利于提高晶体内部质量,生长后期压力、功率小梯度（压力增幅小,功率降幅小）有利于提高晶体外部质量。     

FeNi-Si-C体系金刚石的成核特性

本文利用掺硅FeNi粉末触媒，在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验，研究了高温高压条件下，Fe—Ni—Si—C体系合成金刚石单晶的成核特性。结果表明，由于掺Si量的不同，合成金刚石的最低生长条件（压力和温度）并没有太大的改变；但随着触媒中掺Sj量的增加，其成核量也随之增加；通过光学成像显微镜观测发现，合成出的金刚石晶体同FeNi—C体系合成的晶体的颜色和形貌具有较大的区别，出现了“两极分化”现象，主要表现为部分晶体质量好，而部分晶体则质量很差（晶体呈浅黑色，晶形不完整等），且随触媒中掺甄量的增加，质量差的晶体比率增高。对不同合成条件的棒料进行X—ray检测发现，在金刚石合成条件下有FeSi和Fe，si的生成，台阶压力时间的长短直接影响FeSi、Fe3si的粒度。我们推测，难熔化合物FeSi和Fe3si参与成核，导致金刚石成核量增加，而这种金刚石的“异形核”存在，会导致晶形不够完整和包裹体的产生。     

高温高压处理Ib型金刚石的颜色变化研究

以国产六面顶压机对人工合成的Ib型金刚石大单晶进行高温高压退火处理,使用傅里叶变换红外光度计、光谱辐射度计对实验前后的样品进行分析。实验发现:在高温高压退火条件下,伴随着金刚石中孤立氮原子的聚合,最初的Ib型金刚石单晶经历了颜色先加深再褪去的变化过程,直至变成接近无色的Ia型金刚石单晶。      

渗碳体高温高压金刚石化的显微分析

片状触媒合成金刚石有一个重要现象：金刚石总包覆着一层很薄的金属膜，金属包膜在金冈4石的生长过程中起着重要作用。本文利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和透射电镜（TEM）研究了金属包膜的组织形貌、相结构组成和微观结构。通过研究金属包膜，探讨金刚石相交合成机理，进而优化合成工艺。结果表明：渗碳体在高温高压作用下发生金刚石化，形成金刚石单晶；同时当铁基金属包膜内的渗碳体分布较均匀时金刚石单晶的晶形较完整，反之则晶形较差。     

Fe-B-C体系金刚石单晶的高温高压制备与表征

在国产六面顶高温高压设备上,利用低价纯铁粉末为触媒开展含硼金刚石的制备研究。研究发现:无定型硼的掺入会导致金刚石合成条件(温度和压力)不断提高;晶体颜色由浅黄色逐渐变为黑色,晶体主要以八面体为主。利用扫描电镜(SEM)分析含硼金刚石的微观形貌,发现:硼添加后金刚石{111}晶面上存在微米尺寸的圆形凹坑。通过Raman光谱研究发现:随着硼掺入量的增加,金刚石特征峰发生蓝移,其半峰宽变大、晶体质量下降。通过红外光谱可以发现较强的Ⅱb型金刚石存在2 800 cm-1处的 B-C键特征峰。在纯铁触媒体系中,硼的质量分数在0.2%～0.8%时,均能合成出优质含硼金刚石。      

优质六面体金刚石大单晶的合成及应用

利用高温高压温度梯度法,在合理调整组装方式、生产工艺的基础上,分别采用片状和环状碳源对合成优质六面体金刚石大单晶的尺寸、重量和生长速度进行了对比和分析。采用环状碳源33 h内合成晶体的尺寸可高达5.4 mm,生长速度高达12.6mg/h,重量高达2.08 carat,如此快的生长速度足可以满足六面体金刚石大单晶的产业化生产,进一步推动了国内人工合成金刚石的进程和发展。同时,六面体金刚石大单晶可作为CVD法合成单晶金刚石的基板和单晶金刚石刀具的首选材料。     

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Raman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。     

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。     

锥球形金刚石强化柱齿的研制

本文介绍了采用国产六面顶压机研制锥球形金刚石强化柱齿的情况，并对样品进行了耐磨性，抗冲击性，热稳性测试及显微结构分析，该产品应用于单牙轮钻头在油田的使用情况可提高钻头总进尺20％以上。     

高温高压下金刚石成核机制的研究

本文以国产六面顶压机作为人造金刚石的合成设备,采用金属粉末触媒技术,进行了金刚石晶体的合成.实验中,通过对生长工艺的调整,考察了金刚石在合成区间内的不同合成习性.实验结果表明:金刚石的合成区间可以根据能否自发成核而分为成核区与生长区.在生长区内,金刚石不能自发成核,但金刚石晶种可以在此区间稳定存在并长大.在生长区内金刚...     

用含添加剂氮化物MxN的粉末触媒合成金刚石

本文分别用铁镍粉末触媒、含添加剂氮化物MxN的铁镍粉末触媒在国产六面顶压机上合成了优质金刚石单晶，利用光学显微镜观察，发现所合成的金刚石多为六八面体，晶形完整；在大多数用含添加剂氮化物的铁镍触媒合成的金刚石的晶面上有凹线出现，而用不含添加剂铁镍触媒合成的金刚石却没有这种现象。用电子显微镜对凹线的形貌进行了细致的观察。还发现用含添加剂的铁镍触媒合成的金刚石中包裹体明显少于用铁镍触媒合成的金刚石中的包裹体。随着铁基粉末触媒中添加剂氮化物含量的增加，合成金刚石的压力和温度条件逐渐增高，金刚石生长的“V形区”上移。     

掺硼金刚石的高温高压合成

掺硼金刚石具有诸多优良的性质,因而成为当前金刚石掺杂中的研究热点。本文通过将一定比例的无定形硼粉均匀加入到粉末石墨——触媒体系中,在六面顶压机上利用高温高压方法合成了掺硼金刚石。考察了样品中不同的硼添加比例对合成金刚石最低压力点的影响,以及压力和温度对合成掺硼金刚石的影响。经过大量实验,总结出了合成金刚石的最低压力点与样品中硼添加比例的关系曲线。实验结果表明,合成温度是影响晶体中硼含量的主要因素。同时,实验还发现,硼在晶体中的分布情况存在着区域性,以及随着晶体内硼含量的增加,晶体晶形变差,而且容易生长聚晶。     

Preparation of IaA-type diamond crystals containing a high concentration of nitrogen by annealing {111}-oriented N-doped diamond crystals

In this study, we report the growth of gem-quality N-doped {111}-oriented diamond crystals by adding phosphorus nitride (P₃N₅) into the growth cell at 6.0 GPa pressure and 1550–1650 K temperature. The concentration of nitrogen (C_N) incorporated into the synthetic diamond crystals was found to be in the range of 476–2624 ppm, whereas the P impurity could only be detected in the graphite phase. The annealing treatment of the diamond crystals show that the aggregation rate of N atoms in the high-level N-doped diamond crystals is ~ 71 times of that in the conventional synthetic Ib-type diamonds. Therefore, the green color Ib-type diamond crystals containing a higher C_N were found to be good candidates for the preparation of IaA-type diamond crystals.     

含硼触媒对合成的金刚石晶体结构和热稳定性的影响

人造金刚石的热稳定性越来越受到金刚石生产者和使用者的重视，成为国际上评价金刚石内在质量和性能好坏的重要指标。本文在铁基触媒的基础上加入不同含量的硼铁粉，用静压法合成了含硼金刚石。利用光学显微镜、X射线衍射仪和差热分析仪对不同金刚石的晶形、晶体结构和抗氧化性能进行了研究，并与同样工艺条件下合成的不含硼金刚石进行对比，对某些实验现象做了讨论。实验证明，这种方法能够得到抗氧化性好的金刚石，而且生产成本低、操作方便，便于推广。     

Understanding of the shape-controlled synthesis of strip shape diamond under high pressure and high temperature conditions

We present the shape-controlled synthesis of strip shape diamond with stretched crystal faces along {100} or {111} direction and larger length-to-radius ratio than the conventional diamond in the designed NiFe-C system at high pressures and high temperatures (HPHT). A series of synthetic experimental results on the strip shape diamonds were obtained at different pressures and temperatures. Under the constant pressure condition, the morphology of the strip shape diamond varied with the increase of temperature obviously. Fourier transform infrared (FTIR) micro spectroscopy and Raman spectroscopy revealed that the various locations of crystal face have different nitrogen impurity concentration, and internal strain and defects in these strip shape crystals. According to these results, it can be concluded that the difference of growth rates at various crystal faces results in different crystal morphologies. Based on the growth characteristics, we suggest that composition segregation of the metal film around the growing crystal induces the formation of strip shape diamond.     

Inclusions of synthetic diamonds

During the process of high-pressure and high-temperature industrial diamond synthesis, changes of the pressure p and temperature T affect the inclusion content of the diamond grains formed. A relationship can be observed between the parameter changes, i.e. their control program and the morphology of inclusions.     

宝石级金刚石的生长速度与晶体品质的关系

高温高压温度梯度法是一种有效的合成宝石级金刚石单晶的方法。金刚石生长速度的控制非常关键。金刚石生长速度过快，得不到优质单晶；生长速度太慢又不利于商业化生产。在本文中我们在国产六面顶液压机上合成Ib型宝石级金刚石。对短时间（3小时）合成的晶体生长速度与金刚石品质之间的关系进行了研究。对于生长时间小于3小时的金刚石：当生长速度超过2mg／h时，晶体的品质较差；当生长速度小于2mg／h时，可以获得优质晶体。我们分析了实验中包裹体、熔坑、自发核和连晶的形成原因。并认为过快的生长速度是导致这些现象出现的主要因素。所以为获得优质晶体，在金刚石生长的初期（3小时内）生长速度应控制在2mg／h以下。     

硼及其协同掺杂金刚石块体的研究进展

掺入硼等杂质元素可以使金刚石获得半导体特性,利用高温高压法可以制备出性能优良的金刚石半导体材料。本文介绍了硼及其协同掺杂金刚石块体材料的研究现状,综述了掺杂对金刚石的形貌、结构及性能的影响,阐明了制备过程中影响掺杂金刚石质量的因素,展望了硼及其协同掺杂金刚石块体材料的应用前景。