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。     

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。     

热丝化学气相沉积法制备优质微米亚微米级单晶金刚石的研究

利用热丝化学气相沉积法（HFCVD）,在硅片衬底上进行微米级（〉1μm）及亚微米级（〈1μm）单晶金刚石的沉积研究。微米级金刚石是以高温高压法（HPHT）制备的1μm金刚石颗粒为籽晶,通过甩胶布晶的方法,在衬底上均匀分布晶种,并通过合理控制沉积工艺参数,在衬底上形成晶形完好的单晶金刚石。在沉积2 h后,可消除原HPHT籽晶缺陷,沉积6 h后,生长出晶形良好的立方八面体金刚石颗粒（约4μm）;对于亚微米级单晶金刚石,是直接在衬底上进行合成,通过调控沉积参数（如衬底预处理方法,偏流大小,沉积时间）对单晶金刚石的分布密度和颗粒度进行控制,经过2 h的沉积,最终获得了0.7μm的二十面体单晶金刚石。     

CVD金刚石大单晶外延生长及高技术应用前景

CVD（化学气相沉积）金刚石大单晶生长是CVD金刚石膜研究领域在过去十余年中所取得的重大技术进展之一,在一系列高新技术领域有极其重要的应用前景。针对CVD金刚石大单晶的制备和应用进行了综述。首先对CVD金刚石大单晶生长技术进行了概括性的描述,然后对CVD金刚石单晶制备方法进行详细介绍和评述。并对CVD大单晶在高性能辐射（粒子）探测器、金刚石高温半导体器件、高压物理试验、超精密加工以及在首饰钻戒等方面的应用现状与前景进行了介绍与评述。最后针对CVD高仿钻戒与天然钻戒的鉴别进行了评述,并提出了新的建议。     

粉末触媒合成高品级金刚石的工艺研究

本文提出了金刚石合成的二阶段升温升压工艺,讨论了各工艺参数(暂停时间、台阶功率、台阶压力)对粉末触媒高温高压合成优质金刚石单晶的影响,并对实验现象进行了分析,确立了高品级金刚石的合成工艺.实验结果表明:暂停时间长短影响成核的数量,暂停时间长金刚石产量低,暂停时间短金刚石产量高,但晶形较差；随着台阶功率的增加,金刚石的成...     

含硫金刚石的合成及杂质分析

本文分别用Ni70Mn25Co5合金粉末和含添加剂硫的Ni70Mn25Co5合金粉末作触媒合成了金刚石单晶，通过对比，发现添加剂硫的引入使得金刚石内的包裹体含量增加，使晶体表面出现熔坑；利用X射线荧光光谱对晶体的杂质成分、相对含量进行了分析，发现杂质元素锰、硫的含量随着触媒中硫的添加量的增加呈增加趋势，由此推测在金刚石生长过程中生成了难熔的MnS，MnS以包裹体的形式进入金刚石中，在一定程度上破坏了金刚石的晶格排列，使得表面出现熔坑。     

硫掺杂金刚石中杂质含量的表征与测定

本文利用扫描电镜、电子探针和波长色散X射线荧光光谱,在硫- Ni70Mn25Co5触媒-石墨粉末混合体系中,用高温高压合成法生产的金刚石,进行了全面表征,并讨论了硫对合成结果影响的原因.研究表明:硫掺杂金刚石随原料中硫含量的增加,颜色逐渐加深,金刚石表面出现孔洞缺陷,当硫含量较低时,孔洞缺陷多分布在(100)晶面上,当硫含量较高时,(111)晶面上也出现孔洞,致使晶体的完整性受到制约;杂质元素进入晶体具有晶面趋向性,Ni,Co,S杂质,特别是Mn杂质易进入金刚石的(100)晶面;金刚石中的硫杂质含量随添加剂含量的增加大致呈增加趋势,锰杂质含量呈增加趋势,而镍杂质没有十分明显的规律性.     

多种硼源的复合添加对含硼金刚石单晶的影响

本文使用碳化硼、六方氮化硼和硼砂三种硼源材料复合添加的铁基触媒在高温高压下合成含硼金刚石,通过对金刚石结构与性能的表征,探讨多种硼源复合添加对含硼金刚石的影响。实验发现,采用多种硼源复合添加的铁基触媒合成金刚石可以有效地稳定金刚石的硼源供给,提高金刚石的含硼量。随着硼含量的增加,金刚石的结晶习性逐渐以（111）晶面为主,主要的机械性能和热稳定性得到了明显的提高。实验结果充分说明,多种硼源复合添加更有利于提高含硼金刚石的品级。     

金刚石室温疲劳机理的试验研究

本文阐述了金刚石室温疲劳破坏现象的产生，简单介绍了研究金刚石室温疲劳的实验方法——软压头技术。分析了一般疲劳破坏的过程和机理，对金刚石室温疲劳破坏机理作了理论上的推导，提出了应力腐蚀使金刚石产生疲劳破坏的理论——应力集中提高表面原子活性引起应力腐蚀，在理论的基础上得到了金刚石疲劳速率公式。并采用软压头技术分别以PCD、CBN、Si3N4、Tib2等作为软压头材料，在自行研制的金刚石疲劳试验机上对不同氮含量的金刚石样品进行了疲劳实验，在实验数据的基础上绘制出了不同氮含量金刚石的疲劳曲线图，并对实验结果与疲劳破坏机理进行比较分析，得出结论：不同氮含量的金刚石，氮含量越高，金刚石疲劳破坏会越快出现，即疲劳强度越小，氮含量越低，裂纹扩展速度越慢，即疲劳强度越大。这从理论上和实验上论证了应力腐蚀引起金刚石室温疲劳的理沦。     

宝石级金刚石单晶生长机制的研究---低速生长条件下的晶体生长特性

高温高压温差法生长优质宝石级金刚石单晶要求严格控制晶体的生长速度,因为晶体生长速度过快会导致熔体金属来不及扩散从而在晶体中产生包裹体,影响晶体的质量。本文考察了低速生长条件下宝石级金刚石单晶的生长情况,结果发现,在以{100}面作为晶种的生长面的情况下,无论合成温度高低,低速生长(本文中为0．40mg/h)出的晶体中均不存在金属包裹体,这与日本住友公司早期的结果有所不同。     

含硼聚晶金刚石复合片(B-PDC)的研究

利用国产六面顶压机,在高温高压的条件下,采用黏结剂Co熔渗催化方法合成含硼聚晶金刚石复合片。对加入不同体积分数的含硼金刚石合成的样品进行性能测试,最后对样品的性能测试结果进行讨论分析,并对聚晶金刚石层微观结构做了扫描电镜观察和XRD物相分析。结果表明:样品的抗冲击韧性和耐热性比普通金刚石复合片有显著提高,当添加含硼金刚石微粉体积分数为2a%～3a%时综合性能最好。     

N-H成分的存在对Ni-Mn-Co触媒合成金刚石的影响

本文首先研究了三聚氰胺(C3N6H6)及其低温分解物(CNxHy,CNx)在高温高压条件下的分解行为：在压力5．3GPa和温度为1500K时完全分解为碳,同时释放出氨气和氢。我们用元素分析仪(Perkin—Elmer 240C Elemental Analyze)来确定氮和氢的含量。利用三聚氰胺(C3N6H6)及其低温分解物(CNxHy,CNx)提供氮与氢源,研究了氮和氢在粉末触媒合成金刚石中对金刚石生长的影响。我们对合成样品中的黑色物质作了粉末XRD发现：在高温高压下合成金刚石时,碳一氮化合物(CNx)与碳一氮一氢化合物(CNxHy)对触媒具有不同的影响作用,即：在合成腔体中大量氮与氢同时存在的条件下,Ni70Mn25Co5触媒中的Ni首先与氢发生反应形成氢化物,从而改变了金属触媒的原有特性。随着添加不同比例的氮氢化合物的改变,分别出现不同的金属氮氢化合物。结果表明：大量的氮和氢的存在,将严重抑制金刚石的成核。     

球状石墨的粉压成型及以其为原料的金刚石生长

本文研究了球状石墨的粉压成型特性。在国产SPD6×1 200型六面顶高温高压设备上,分别以鳞片石墨和球状石墨（均为400目）为碳源,以铁基粉末触媒为原料,在压力5.5 GPa,温度1 400℃左右,合成时间300 s的条件下合成出了优质金刚石单晶。通过球状石墨与鳞片状石墨生长的金刚石的对比,说明了球状石墨—铁基触媒体系生长金刚石的特点。结果表明球状石墨也可以用来合成优质磨料级金刚石单晶,但合成温度要比用片状石墨时高100℃左右,合成的金刚石粒度较鳞片石墨合成的金刚石粒度稍粗。     

触媒黏性对生长优质克拉级Ⅰb型金刚石单晶的影响

在高温高压条件下,进行了优质克拉级Ⅰb型金刚石单晶的合成研究.重点考察了触媒黏性对金 刚石大单晶生长的影响.结果表明:选择低黏性Ni -a触媒,短时间可以生长出优质金刚石单晶.当生长时间超过25 h,合成的晶体为“群晶”;而高黏性Ni -b触媒可以用来长时间生长优质克拉级金刚石单晶.通过扫描电镜分析可知,低黏性触媒合...     

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.     

聚晶金刚石复合片(PDC)应力表征方法的探讨

聚晶金刚石复合片是采用HPHT方法生产的,所以不可避免地在界面处、以及聚晶金刚石层内部的缺陷处存在大量的残余应力。本文主要围绕聚晶金刚石复合片的应力表征问题进行了实验和理论分析。实验、研究表明,聚晶金刚石复合片在聚晶金刚石层内存在着宏观应力和微观应力,即第一类内应力、第二类内应力;聚晶金刚石表面应力的大小可以反映聚晶金刚石层的应力存在状况;XRD方法可以用于聚晶金刚石复合片应力的表征。     

Effect of B-S co-doping on large diamonds synthesis under high pressure and high temperature

Large single-crystal diamonds with n-type semiconductor were synthesized from S/B-S co-doping FeNiCo-C system under high pressure and high temperature (HPHT) in this paper. It was found that the slight variation of the additive S content had not made obvious change for the color of diamonds synthesized from FeNiCo-C system. The B-S co-doping samples became more transparent and yellow than the samples added alone by S. The analysis of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy showed the presence of B and S in the obtained diamonds. The electrical properties of large diamond crystals were tested by Van der Pauw method with a four-point probe. The highest value of the hall mobility was 628.726 cm²/vs. And the lowest value of the resistivity was 9.33 × 10⁵ Ω·cm with boron additive of 0.8 wt.% and sulfur of 2 wt.% doping to diamond which was confirmed as n-type. This work indicated that B-S co-doping to synthesize diamond crystals was a trend to promote the electrical properties of large diamond crystals.     

人造金刚石单晶铁基金属包膜的精细结构

利用扫描Auger微探针和X射线光电子能谱等手段,研究了包覆着高温高压金刚石单晶的铁基金属包膜（Fe—Ni—C合金)的精细结构．结果表明,仅在临近金刚石单晶的包膜内层,C和Fe原子的精细结构有一明显变化;在接触金刚石单晶的包膜表面上,Fe,Ni最外层电子的结合能比包膜其它区域明显增高据此认为,邻近金刚石的包膜内层和接触金刚石的包膜表面在金刚石生长中起重要作用,Fe,Ni原子对C原子的催化很可能是在包膜内层或在金刚石／包膜界面上完成的．     

添加剂硫对Ni-Mn-Co粉末触媒合成金刚石的影响

本研究考察了高温高压条件下添加剂硫对Ni-Mn-Co粉末触媒合成金刚石的影响，并在此基础上，考察了含硫金刚石的机械性能。研究表明：硫对Ni70Mn25Co5粉末触媒合成金刚石的成核有明显的抑制作用，随着硫含量的增加，成核呈减少趋势；添加剂硫影响晶体的颜色和晶形，随添加剂含量的增加，晶体的颜色呈加深趋势，硫的添加使晶体的表面出现孔洞缺陷，当硫含量较低时，孔洞缺陷多分布在（100）晶面上，当硫含量较高时，（111）晶面上也出现孔洞，致使晶体的完整性受到制约；添加剂硫影响金刚石的机械性能，随着添加剂硫含量的增加，含硫金刚石的冷冲击强度（TI）和热冲击强度（TTI）呈明显的下降趋势。     

人造金刚石杂质研究

利用磁化率测定仪、扫描电镜/X射线能谱仪、氧氮分析仪等仪器综合分析了使用铁镍合金触媒合成的磨料级系列金刚石内部杂质及其组分与含量。结果表明:人造金刚石磁化率与灰分/金刚石质量比成正比。人造金刚石的主要杂质为铁、镍、镁、硅、钙、氧和氮。随着人造金刚石杂质总量的减少,除氮以外所有杂质都在减少,但杂质中的硅和钙的占比增加,提示硅和钙除了随同触媒一道,以金属包裹体的方式进入金刚石晶体,可能还有其他方式。金刚石品级越高,氧质量分数越低,而氮质量分数与品级高低无关。为进一步考察金刚石杂质来源,分析了合成金刚石试样所使用的原料石墨和触媒。使用高纯度石墨和触媒有助于合成出高纯度金刚石,但不一定是顶级金刚石。