人造金刚石合成中黑色低磁金刚石的研究

 通过对合成金刚石的原材料和合成产物——石墨、Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒、普通人造金刚石、黑色人造金刚石、NiMnCoC熔体的磁化率测试,以及对黑色人造金刚石和普通人造金刚石破碎断面扫描电镜的对比分析,认为黑色人造金刚石形成低磁性的原因是由于合成过程中温度偏高、压力偏低,生长的金刚石质量差、裂纹多。晶体内夹杂了很多石墨与触媒包裹体,同时金刚石表面与金刚石晶体内的触媒包裹体之间形成贯穿性的裂纹。在金刚石化学提纯处理过程中,金刚石晶体内的铁磁性触媒包裹体杂质被通过裂纹进入的酸除去。因而在检测金刚石磁性时,黑色金刚石的磁性很小,呈弱磁性。     

硼掺入量对含硼金刚石单晶热稳定性的影响

 在铁基触媒原材料中添加不同含量的六方氮化硼,采用粉末冶金方法制备片状触媒,在六面顶压机上合成出含硼金刚石单晶。用体视显微镜对金刚石单晶的结构、形貌进行观察,并用电子探针（EPMA）和波谱仪（WDS）分析了金刚石（111）晶面的硼含量,发现金刚石表面有硼元素存在,且其含量随着触媒中掺硼量的增加而变化。在测定了含硼金刚石单晶的静压强度的基础上,采用冲击韧性测定仪和差热分析仪对不同掺硼量触媒合成出的金刚石单晶在空气中的热稳定性进行了系统的对比研究。结果表明,触媒掺硼量对金刚石的机械强度和热稳定性有重要影响,随着掺硼量的变化,其机械强度和热稳定性均存在一个最佳值。     

高压对以沸石分子筛基质的Eu（Ⅲ）稀土发光材料荧光光谱影响的研究

 本文研究了高压下无机微孔材料的相转变，并讨论了压力对离子交换的Eu（Ⅲ）NaA和Eu（Ⅲ）NaY两种以沸石分子筛为基质的稀土发光材料发光性质的影响。实验结果表明，对于不同基质材料，压力对Eu（Ⅲ）离子的光谱结构的影响，尤其是对⁵D₀→⁷F₁磁偶极跃迁与⁵D₀→⁷F₂电偶极跃迁强度比（I_m/I_e）的影响十分显著。对于Eu（Ⅲ）NaA样品来说，I_m/I_e值随压力的增加而增加，而对于Eu（Ⅲ）NaY样品，I_m/I_e值随压力的增加而减少。     

硼元素对人造金刚石单晶氧化速度的影响

 本文用KNO₃溶液氧化法对人造金刚石大单晶切片进行氧化实验，用两光束干涉计测量了单晶（含硼和不含硼）(110)截平面上各晶面成长区沿(110)面法线方向的相对氧化深度，计算了其相对氧化速度，并定性的与硼元素在这些区域的浓度做了对应。     

高温高压下纳米金刚石粉的特性研究

 研究了炸药爆轰合成的纳米金刚石粉在高温（约1 600 K）、高压（5.2 GPa）条件下的行为。将纳米金刚石粉与粉末合金（Ni₇₀Mn₂₅Co₅、100^#）混合、压制成圆片,与合金片 （Ni₇₀Mn₂₅Co₅）和人造石墨片一起交替放入高温高压合成腔体内,进行高温高压实验。实验结果表明：在高温高压条件下,纳米金刚石粉不能长大,反而石墨化了;在相同的高压和保温时间条件下,随着温度的降低,纳米金刚石粉的石墨化程度减弱,纳米金刚石粉的纳米颗粒长大,可长成0.1 mm尺寸的金刚石颗粒（温度为1 070 K左右）。而在此条件下,人造石墨不能合成金刚石,一般金刚石晶体要变成石墨相。这进一步表明,纳米金刚石颗粒表面的活性使得它可以在较低的温度下长成较大颗粒的金刚石。     

用2△分析超带的性质

使用两准粒子能量2△计算了超带转排角动量J（I_∽）,用J（I_∽）定量地分析了一些核超带性质。     

掺铒碲钨酸盐玻璃光谱性质的研究

合成了不同浓度Er³⁺掺杂的TeO₂-WO₃-Li₂O体系玻璃（TW glasses）,详细研究了掺杂浓度对这种碲钨酸盐玻璃光学特性的影响。计算了Judd Ofelt(J-O)强度参数,研究了掺杂浓度对15 μm发射带宽的影响,及不同掺杂浓度下Er³⁺的⁴I_11/2-⁴I_13/2和⁴I_13/2-⁴I_15/2无辐射跃迁过程。实验得到了在TW 玻璃中Er³⁺的⁴I_13/2-⁴I_15/2跃迁的浓度猝灭速率约为跃迁的浓度猝灭速率约为0.8×10^-18cm³·s^-1,这对寻求Er³⁺在碲钨酸盐玻璃中的合理掺杂浓度有一定的参考意义,这对寻求Er³⁺在碲钨酸盐玻璃中的合理掺杂浓度有一定的参考意义。实验发现Er³⁺的⁴I_11/2-⁴I_13/2无辐射弛豫速率在这种玻璃体系中约是不含WO₃的碲酸盐玻璃中的2倍,说明含WO₃的掺铒碲钨酸盐玻璃更有利于在980 nm激光泵浦下实现15 μm光放大。     

碳水混合物冲击压缩特性的理论研究

 采用固-液双相混合模型和分子流体的微扰变分统计理论,分别计算了石墨-水体系（ρ₀=1.233 g/cm³）和金刚石-水体系（ρ₀=1.238 g/cm³）的冲击压缩特性。结果表明：（1）在不发生石墨→金刚石相变和化学反应的低压区域（p<20 GPa）,这两种混合体系的冲击压缩曲线的差别并不明显;（2）在发生石墨→金刚石相变的高压区域（p>20 GPa）,这两种混合体系的冲击压缩曲线显著不同,且石墨-水体系更易压缩;（3）在45～60 GPa强冲击压力范围内,冲击波诱发的化学反应也不会显著影响这两种体系冲击压缩曲线的走势。上述结论与文献（高压物理学报,1999,13(2):87-92）发表的实验结果相矛盾。进一步分析了引起理论与实验结果不一致的可能原因,并对文献中的实验结果及其理论分析结论提出质疑。     

优质立方体晶形金刚石的合成

 在研究Ni₇₀Mn₂₅Co₅-C体系中,金刚石结晶形太与温度压力关系的基础上,实验探索了控制温度压力“准静态”变化过程中,六八面体晶核逐渐“外延生长”,最终生长成为质量较好、晶种法完整的立方体金刚石的方法和规律。本工作对采用晶种法生长热沉用优质大单晶在控制晶形方面有一定的理论意义和实践指导作用。     

Bakamjian-Thomas理论中的相移行为

本文在B-T理论的框架内,探讨了高能相移的行为及其与唯象核力的实部和虚部 V_R—iV_I 的关系.得到 Reδ（Φ）（Φ）.发现陡的排斥心会引起 Reδ_l 的特征振荡;并发现 Imδ_l 对 V_I是敏感的.因而,较高能量的相移分析工作对决定核力的排斥心与虚部是重要的.     

Effects of additive NaN_3 on the HPHT synthesis of large single crystal diamond grown by TGM

In this paper,large single crystal diamond with perfect shape and high nitrogen concentration approximately 1671-1742 ppm was successfully synthesized by temperature gradient method (TGM) under high pressure and high temperature (HPHT).The HPHT synthesis conditions were about 5.5 GPa and 1500-1550 K.Sodium azide (NaN3) with different amount was added as the source of nitrogen into the synthesis system of high pure graphite and kovar alloy.The effects of additive NaN3 on crystal growth habit were investigated in detail.The crystal morphology,nitrogen concentration and existing form in synthetic diamond were characterized by means of scanning electron microscope (SEM) and infrared (IR) absorption spectra,respectively.The results show that with an increase of the content of NaN3 added in the synthesis system,the region of synthesis temperature for high-quality diamond becomes narrow,and crystal growth rate is restricted,whereas the nitrogen concentration in synthetic diamond increases.Nitrogen exists in diamond mainly in dispersed form (C-centers) and partially aggregated form (A-centers).The defects occur more frequently on crystal surface when excessive NaN3 is added in the synthesis system.     

UV detectors based on epitaxial diamond films grown on single-crystal diamond substrates by vapor-phase synthesis

The prospects for use of CVD-technology for epitaxial growth of single-crystal diamond films of instrumental quality in UHF plasma for the production of optoelectronic devices are discussed. A technology for processing diamond single crystals that provides a perfect surface crystal structure with roughness less than 0.5 nm was developed. It was demonstrated that selective UV detectors based on synthetic single-crystal diamond substrates coated with single-crystal films can be produced. A criterion for selecting clean and structurally perfect single crystals of synthetic diamond was developed for the epitaxial growth technology.     

基于有限元法分析宝石级金刚石的合成腔体温度场

以有限元法为理论分析手段模拟分析了温度梯度法合成宝石级金刚石大单晶的腔体温度场,实现了对宝石级金刚石的合成腔体内各位置温度同时测量.模拟结果表明:在宝石级金刚石合成过程中,其温度分布呈不均匀分布.腔体内高温区分布在样品(碳源+触媒)边缘,低温区分布在籽晶附近.样品腔内热量的传递方式和样品腔内的碳源输运方式相同,均由碳源的两侧向籽晶附近传输.籽晶附近轴向温度梯度大于径向温度梯度,导致单位时间内其轴向生长尺寸大于径向生长尺寸.宝石级金刚石腔体温度场分析的理论模型的成功构建,为新型宝石级金刚石腔体的研制提供了良好的设计基础,对促进优质宝石级金刚石的生长技术具有指导意义.     

锌添加对大尺寸金刚石生长的影响

利用温度梯度法,在6.2—6.4 GPa,1270—1400℃条件下,通过在NiMnCo-C体系中添加不同比例的锌粉成功合成出3 mm左右的大尺寸金刚石单晶.研究了锌添加对金刚石颜色、形貌、内部氮杂质以及晶体结晶度的影响.结果表明:随着锌添加量逐渐增加,晶体的颜色逐渐变浅,晶体的透光性增强;当锌添加比例达到3 wt.%时,晶体表面出现大量不规则的凹坑;晶体内氮杂质主要以C心形式存在,随着锌添加量的增多晶体内氮含量逐渐降低,基于锌的除氮能力总结出两种可能的除氮机制;拉曼光谱测试结果表明,在锌添加量小于3.0 wt.%的研究范围内,锌的添加有利于提高晶体的结晶度.本研究不仅有助于天然金刚石形成机制的探究,而且对丰富金刚石的种类以及扩展人工合成金刚石的应用领域都有着重要意义.     

降温工艺对宝石级金刚石单晶品质的影响

在国产六面顶压机上,采用温度梯度法,在5.6 GPa,1200—1400?C的高压高温条件下,裂晶问题频繁出现的合成周期内,围绕裂晶现象开展了Ib型宝石级金刚石单晶的生长研究,系统考察了降温工艺对宝石级金刚石单晶品质的影响.针对宝石级金刚石单晶常见的裂纹缺陷,借助于扫描电子显微镜,分别对优质金刚石单晶和存在裂纹金刚石单晶的表面形貌进行了表征;利用微区傅里叶转换红外光谱测试手段,对上述两类晶体的N杂质含量分别进行了测试,依据测试结果,对裂晶出现的原因进行了分析;分别采用传统断电降温和缓慢降温工艺,考察了晶体生长结束后的降温工艺对宝石级金刚石单晶品质的影响.结果表明,缓慢降温工艺在很大程度上可以有效抑制裂晶问题出现.另外,从宝石级金刚石单晶品质和单晶受到的外应力两个方面着手,分别对裂晶出现的机理和采用缓慢降温工艺有效解决裂晶问题的机理进行了讨论.     

温度对Ib型和IIa型金刚石大单晶(100)表面特征的影响

本文在5.6 GPa, 1250–1340 ℃的条件下, 利用温度梯度法, 以FeNiMnCo 合金为触媒, 沿籽晶的(100)晶面成功合成了不同晶形的优质Ib型和IIa型金刚石大单晶. 利用激光拉曼附件显微镜, 分别对上述不同温度下合成的两类金刚石样品上表面(100)面的中心区域及棱角区域进行观察分析. 研究发现, Ib型和IIa型金刚石大单晶(100)晶面上从中心到棱角处黑色纹路的分布逐渐变黑变密集; 另外, 随着金刚石合成温度的升高, Ib型金刚石大单晶(100)面上黑色纹路由稀疏逐渐变稠密, 而IIa型金刚石大单晶的黑色纹路较为稀疏; Ib型金刚石大单晶的形貌特征表现为从低温晶体的不规则分布过渡到中温、高温晶体的典型树枝状分布. IIa型金刚石大单晶(100)面特征随温度变化规律与Ib型的类似. 这两类金刚石大单晶表面特征的差异可能是由于IIa 型金刚石具有比Ib型更小的生长速度和更少的氮含量. 最后, 对两类塔状金刚石大单晶进行拉曼光谱测试分析, 结果表明IIa型金刚石大单晶的品质较Ib型金刚石大单晶好.     

Microstructure of high-pressure-synthesized diamonds under rapid quenching and electron irradiation

A type of synthetic diamond single crystal about 0.4–0.5 mm in dimension prepared under high pressure–high temperature (HPHT) in the presence of a FeNi molten catalyst was quenched from HPHT and irradiated with 300 keV electrons at room temperature. Transmission electron microscopy was employed to examine the microstructure of the diamond single crystal before and after electron irradiation. It was found that there exists a large amount of cellular interfaces in the quenched diamond sample, which indicates the growth condition of the diamond under HPHT. Hexagonal dislocation loops about several tens of nanometers in dimension were observed in the high-pressure-synthesized diamond single crystal before electron irradiation, which strongly suggests that a number of vacancies were quenched-in due to rapid quenching from high temperature at the end of diamond synthesis, and were aggregated in the synthetic diamond to form vacancy disks on the (111) plane, the collapse of such vacancy disks forming vacancy-type dislocation loops. After electron irradiation, it was found that defect clusters present as interstitial-character dislocation loops were formed in the electron-irradiated region of the diamond. The interstitial dislocation loops grow with increase of the irradiation time. The present study, in comparison to previous work on ion implantation on diamond, indicates that electron irradiation does not induce a phase transformation but produces interstitial dislocation loops due to the migration of interstitial atoms and vacancies. The result of the study directly indicates that interstitials and vacancies in diamond are mobile at room temperature under electron irradiation. Nitrogen, as the most important kind of impurity contained in the HPHT as-grown diamond, probably acts as nucleation of the interstitial loops. Received: 16 November 2001 / Accepted: 12 June 2002 / Published online: 17 December 2002 RID="*" ID="*"Corresponding author. E-mail: yinlw@sdu.edu.cn     

单晶金刚石边缘表面倾斜角度对同质外延生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,对单晶金刚石(100)晶面边缘进行精细切割抛光处理,形成偏离(100)晶面不同角度的倾斜面,在CH_4/H_2反应气体中进行同质外延生长,研究单晶金刚石边缘不同角度倾斜面对边缘金刚石外延生长的影响.实验结果表明,边缘倾斜面角度对边缘的单晶外延生长质量有影响,随着单晶金刚石边缘倾斜面角度的增大,边缘多晶金刚石数量先减少后增多,在倾斜角3.8°时边缘呈现完整的单晶外延生长特性.分析认为,边缘不同角度的倾斜面会改变周围电场强度和等离子体密度,导致到达衬底表面的含碳前驱物发生改变,倾斜面台阶表面的含碳前驱物浓度低于能形成层状台阶生长的临界浓度是减弱单晶金刚石生长过程中边缘效应的主要原因.     

B2O3添加宝石级金刚石单晶的生长特性

利用温度梯度法, 在5.3-5.7 GPa压力、1200-1600 ℃的温度条件下, 将B₂O₃粉添加到FeNiMnCo+C合成体系内, 进行B₂O₃添加宝石级金刚石单晶的合成. 研究得到了FeNiMnCo触媒生长B₂O₃添加宝石级金刚石单晶的相图分布规律. 结果表明B₂O₃添加会使晶体生长的“V”形区上移和低温六面体单晶生长区间变宽. 通过晶体生长实验, 研究合成了不同形貌的B₂O₃添加宝石级金刚石单晶. 研究同时证实, B₂O₃的过量添加会对宝石级金刚石单晶生长带来不利影响. 当B₂O₃的添加量高于约3 wt‰、生长时间超过20 h时, 很难实现优质B₂O₃添加宝石级金刚石单晶的生长. 但B₂O₃的适量添加(不超过1 wt‰), 有助于提高低温板状六面体宝石级金刚石单晶的成品率. 通过对晶体生长速度的研究发现, B₂O₃的添加使得优质晶体的生长速度明显降低, 随着晶体生长时间的延长, B₂O₃添加剂对晶体生长的抑制作用会越发明显. 扫描电镜测试结果表明, 合成体系内B₂O₃添加剂的引入, 导致晶体表面的平整度明显下降.