高温高压下B4C合成金刚石的研究

 压力为5.7~6.0 GPa及1 370~1 500 ℃温度范围内，B₄C在Ni₇₀Mn₂₅Co₅系统中，高压相变为金刚石。合成的金刚石为深黑色，含硼量大于1wt%。粒度为20 μm左右，晶形多为立方体与八面体的各种聚形。反应后的金属触媒中，存在Ni₂B等硼化物；非金属残留物中，存在B₁₃C₂等高硼碳化物。     

合成金刚石与合成体系之关系

 通过各种材料的试验和压机设备因素的测定，总结了金刚石生长过程的特性：金刚石晶体是在石墨（G）-触媒（Me）界面上生长；因电阻R_(G)>R_(Me)、温度T_(G)>T_(Me)以及与外界热交换等原因，使合成腔内产生压力、温度梯度，成为金刚石生长之驱动力。梯度过大过小对金刚石生长均不利；金刚石晶体在G-Me界面两侧是非对称性生长；每个晶粒表面有一特殊结构约20 μm左右厚的金属薄膜，它起到运载碳源和催化的双重作用。要合成粗粒高强金刚石，需要有一个稳定的合成体系。本文分析了该体系状态的性质及稳定的必要性与稳定的具体方法。     

从碳化硅和铁体系合成金刚石

 为了探明从SiC生成金刚石这一过程中触媒作用的机理，有必要调查SiC加不同金属在高压高温下的行为。在本工作中，以16重量比混合的SiC和铁粉经5.4~6.0 GPa的高压力和1 300~1 500 ℃的高温处理20 min后，样品的X射线衍射分析表明：所有实验条件下SiC都发生了分解，并分别生成了Fe₃Si和Fe₃C；温度越高，SiC分解得越彻底，在温度高于1 375 ℃的样品中，伴随Fe₃C减少，有金刚石和石墨明显析出。扫描电镜观察表明：6.0 GPa、1 500 ℃下所得的金刚石晶体具有完整的八面体晶形，平均粒度约50 μm。     

超临界流体触媒作用下石墨-金刚石转变

 研究了超临界流体CO₂在石墨-金刚石转变中的触媒作用。实验中，采用Ag₂O作为流体触媒的先驱材料，在7.7 GPa压力下，Ag₂O在1 200 ℃分解成Ag和O₂，O₂与石墨套管在高温高压下反应形成CO₂超临界流体。研究结果表明，在7.7 GPa和1 500 ℃以上温度条件下，石墨在CO₂流体触媒的作用下可转变为金刚石晶体，在1 500～1 700 ℃温度范围内合成出的金刚石具有完好的八面体形貌，与天然金刚石的生长特征非常相似。     

高压合成立方氮化硼用的新触媒材料的研究

 本文研究了合成立方氮化硼用新触媒材料Mg₃B₂N₄及Ca₃B₂N₄的制备方法，并对它们的稳定性及其催化作用进行了讨论。氮化硼原料的结晶状态及合成温度、合成时间、气流量等对新触媒的合成有着重要的影响。本文还在高温高压下利用新触媒进行了立方氮化硼的合成实验，结果表明，与碱土金属触媒相比新触媒具有合成压力低、转化率高、合成温度和压力范围宽、产物杂志含量低、破碎强度高等优点，是一种应用前景很大的触媒材料。     

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。     

高温高压触媒法金刚石生长的热力学分析

 利用热力学中经典的ΔG<0判定法,探讨了Fe基触媒合成金刚石晶体生长中的碳源问题,在计算中考虑了各物相的体积随温度和压力的变化。结果表明：在金刚石形成之前,就有大量Fe₃C形成,而在触媒法合成金刚石的温度和压力范围内,Fe₃C→C(金刚石)+3γ-Fe反应自由能和石墨→金刚石相变自由能均为负值,但前者比后者的绝对值更大,这说明前者更容易发生。因此,从热力学角度看,Fe₃C的形成降低了石墨转变为金刚石所要越过的势垒,使用Fe基触媒合成金刚石单晶的生长来源于Fe₃C的分解而不是石墨的直接转化。同时推导出在1200 K以上石墨-金刚石的平衡p-T关系：p_eq(GPa)=1.036+0.00236T (K),与F.P.Bundy的平衡线非常接近,证明了本热力学计算方法的可行性。     

压力对金属玻璃Zr70Cu30晶化温度和激活能的影响

 在0~2 GPa压力范围内，通过测量电阻，研究了压力对金属玻璃Zr₇₀Cu₃₀晶化温度与激活能的影响，并探讨了晶化温度与激活能随压力变化时的相关性。     

高温高压合成金刚石中触媒的价电子结构分析

 在高温高压条件下,金属触媒与石墨形成的碳化物Me₃C（Me为Fe、Ni）是形成金刚石结构的主要碳源。利用固体与分子经验电子理论（EET）,计算了多种Me₃C型碳化物和金刚石的价电子结构以及表征界面性质的电子结构参数,并将程氏理论（TFDC）提出的原子界面边界条件应用到碳化物/金刚石界面,发现碳化物晶胞中C—C键络组成的晶面与金刚石中的某些晶面的电子密度在一级近似下是连续的,但不同碳化物其连续程度不同,其中Co₃C和(FeNi)₃C中碳原子组成晶面的价电子结构与金刚石中的最接近,其C—C键转化为金刚石结构需要的能量最低。从电子结构角度上解释了催化机制及不同触媒的催化效果,价电子理论是探讨金刚石催化机制的新途径。     

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。     

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。     

碳化钒作碳源合成金刚石

 以重量比为1∶6的VC和Ni₇₀Mn₂₅Co₅合金组成的体系，经6.0 GPa的高压力和1 500 ℃的高温处理20 min后，样品经X射线衍射分析表明VC发生分解，游离出的C生成了石墨和金刚石；该体系生成的金刚石多呈侵蚀性表面，平均粒度约为20 μm。     

含硼条形金刚石的生成与成因探讨

 在1 470 ℃、5.9 GPa的高温高压条件下，由Fe₅₅Ni₂₉Co₁₆+B₄C体系合成出了十分规则的条形金刚石，这在人工合成金刚石实验中是少见的。并与Ni₇₀Mn₂₅Co₅+B₄C体系中的情形作了比较，探讨了条形金刚石的形成原因，其分析为获得实用性的条形金刚石提供了可能的途径。     

Effects of Al and Ti/Cu on Synthesis of Type-IIa Diamond Crystals in Ni70Mn25Co5-C System at HPHT

High-quality type-Ⅱa gem diamond crystals are successfully synthesized in a NiToMn25Co5-C system by temperature gradient method （TGM） at about 5.5 GPa and 1560 K. Al and Ti/Cu are used as nitrogen getters respectively. While nitrogen getter Al or Ti/Cu is added into the synthesis system, some inclusions and caves tend to be introduced into the crystals. When Al is added into the solvent alloy, we would hardly gain high-quality type-Ⅱa diamond crystals with nitrogen concentration Nc 〈 1 ppm because of the reversible reaction of Al and N at high pressure and high temperature （HPHT）. Piowever, when Ti/Cu is added into the solvent alloy, high-quality type-Ⅱa diamond crystals with Nc 〈 1 ppm can be grown by decreasing the growth rate of diamonds.     

室温下Fe62Ni27Mn11（wt%）合金的压致fcc-hcp相变

 本文采用Mao-Bell型金刚石对顶砧（DAC）及高压在位（in situ）粉末X光衍射照相方法研究了Fe₆₂Ni₂₇Mn₁₁（wt%）合金在0~43.2 GPa压力范围内的压致结构相变和等温压缩行为，实验结果表明，该合金在低压时为fcc结构，在19.4 GPa压力附近出现压致fcc→hcp结构相变，直到43.2 GPa一直保持fcc、hcp二相共存；相变过程中，二相的molar体积相同；高压hcp相得晶格参数比值c/a基本上不随压力而变，可以表示为c/a=1.630±0.006；在卸压过程中，hcp相可保持到5.8 GPa，当卸压到常压时，该合金完全恢复到fcc结构；用Murnaghan等温固体状态方程对其压缩数据进行最小二乘法拟合，得到B₀=(166±12) GPa，B₀'=5.2±0.5；本文还给出了该合金的压致fcc→hcp结构相变模型，并对存在很宽的二相共存区间问题进行了初步探讨。     

室温下压致铁钴镍合金的bcc→hcp相变

 本文采用高压X光衍射方法在金刚石对顶压砧中在位地（in situ）研究了Fe₆₈Co₂₄Ni₈（wt%）合金在室温下的压致bcc→hcp结构相变和直到40.5 GPa的等温压缩行为。实验结果表明该合金在常压下为bcc结构，晶格常数a₀=(0.287 0±0.000 1) nm，体积V₀=(7.119±0.007) cm³/mol，密度ρ₀=(7.981±0.008) g/cm³；在20.9 GPa附近出现bcc→hcp结构相变，两相共存压力区约10 GPa，在此区域内有晶面间距d(002)_hcp=d(110)_bcc，且原子平面(002)_hcp//(110)_bcc，hcp相比bcc相体积减小(0.33±0.02) cm³/mol；高压相hcp结构的晶格参数比值c/a=1.608±0.004；相变后原子配位数的增加使得hcp相(002)平面内及(002)平面间的最近邻原子间距比bcc相最近邻原子间距分别增大约1.6%和0.5%；用Murnaghan状态方程对实验数据进行最小二乘法拟合，得到bcc相B₀=(130±13) GPa，B₀'=12.6±0.5；hcp相V₀=(6.62±0.04) cm³/mol，B₀=(243±21) GPa，B₀'=6.8±0.3；对于该合金的bcc→fcp相变时的结构转变机制做了详细的讨论。     

Industrial diamonds grown in Ni70Mn25Co5--graphite--sulfur system under HPHT

This paper reports that diamond single crystals were synthesized from sulfur-added Ni70Mn25Co5+C system under high pressure and high temperature(HPHT).It was found that additive sulfur had inhibited the nucleation and growth of diamond to some extent.X-ray diffraction of the collected sample indicated that under the synthesis conditions,a new compound MnS had been formed through the reaction of additive sulfur with manganese in the catalyst.The MnS has a fcc structure,and its average crystal size was about 30 nm.By scanning electron microscope,the {111} surface of diamond was found to be flat,while there was usually a large depression on the central region of {100}.Further observation showed that there were many small upside-down pyramidal pits in the expression.The results of x-ray photoelectron spectroscopy shows that MnS can only be detected in the depression in the range of detection precision.It was inferred that MnS had been dissolved in the melted alloy during the growth experiment,and precipitated in the sequent quenching process.     

Magnetoresistance in thin wires with granular structure

We report on studies of magnetotransport properties and structure at 5–300 K temperature region in glass-coated microwires prepared from immiscible (Co₁₀Cu₉₀ and Co₂₉Ni₂₅Mn₁Cu₄₅) elements. The crystalline structure consists of nanocrystals of Co (Ni) and Cu with average grain size below 30 nm. Considerable magnetoresistance (MR) (up to about 18%) is found in Co₁₀Cu₉₀ microwires depending on fabrication parameters. Magnetic field dependence of MR of Co₁₀Cu₉₀ microwires is completely un-hysteretic showing monotonic decay with magnetic field. On the other hand, MR (up to about 4%) is also found in as-prepared and annealed Co₂₉Ni₂₅Mn₁Cu₄₅ microwires. Annealing of Co₂₉Ni₂₅Mn₁Cu₄₅ microwires (973 K) results in increasing of the coercivity (H_c) from 65 up to 750 Oe. Annealed Co₂₉Ni₂₅Mn₁Cu₄₅ sample exhibits considerable hysteresis on magnetic field dependence of MR. Neutron and X-ray diffraction allows to attribute changes in magnetic properties and MR after annealing of Co₂₉Ni₂₅Mn₁Cu₄₅ microwires to the decomposition of the metastable phase.     

Hetero-Epitaxial Diamond Single Crystal Growth on Surface of cBN Single Crystals at High Pressure and High Temperature

We report a new diamond synthesis process in which cubic boron nitride single crystals are used as seeds, FesoNi20 alloy powder is used as catalyst/solvent and natural flake-like graphite is used as the carbon source. The samples are investigated using laser Raman spectra and x-ray diffraction （XRD）. Morphology of the sample is observed by a scanning electron microscope （SEM）. Based on the measurement results, we conclude that diamond single crystals have grown on the cBN crystal seeds under the conditions of high temperature 1230℃ and high pressure 4.8 GPa. This work provides an original method for synthesis of high quality hereto-semiconductor with cBN and diamond single crystals, and paves the way for future development.