高温高压下cBN单晶转变机理的EET理论分析

使用ab从头算原理计算了六方氮化硼(hBN)和立方氮化硼(cBN)在cBN单晶合成温度和压强下(1800 K,5.0 GPa)的晶格常数.通过EET理论构建了hBN和cBN的共价电子结构,并计算出九组hBN和cBN单晶的不同低指数晶面之间在高温高压下的相对共价电子密度.根据TFDC理论分析判断,发现hBN的(110)与cBN的(110)、hBN的(100)与cBN的(100)分别连续,两组晶面组合的相对共价电子密度差均小于＜10;.这表明:这两组hBN/cBN晶面之间的价电子结构相差不大,可以诱使hBN直接转变为cBN.因此本文认为:从价电子结构的角度分析,高温高压下的cBN单晶极有可能是由hBN直接转变而来的.     

Li3N-hBN体系合成cBN单晶“V”形区的相变热力学

利用静态高温高压触媒法合成优质cBN单晶,合成温度和压强范围形成一“V”形区域.从Gibbs自由能(△G)角度分析了采用Li3N为触媒合成cBN单晶时,不同物相在“V”形区及其扩大区域(1600～2200 K、4.8 ～6.0 GPa)内向cBN相变的可能性.分别计算了高温高压下hBN+ Li3 N-→Li3 BN2 、hBN→cBN和Li3BN2→cBN+ Li3N三个反应的△G.结果表明:在“V”形区及其扩大区域内,前二个反应的△G均为负值,分别为-35～-10 kJ/mol和-25 ～-19k J/mol;而第三个反应的△G有正有负,其正值范围形成了一个温度、压强的“V”形区域.该“V”形区基本覆盖了以前文献中提到的“V”形区.这说明在合成优质cBN单晶的温度压强范围内,Li3 BN2稳定存在,不能分解出cBN.Li3N触媒体系内的cBN可能源自hBN的直接相变,而非Li3BN2的分解.但分析表明Li3BN2促进了hBN→cBN的相变.     

立方氮化硼生长界面形貌及相结构表征

采用Li3N和hBN为原料,在静态高温高压条件下合成出大颗粒cBN单晶.利用扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)对合成块断面、大颗粒cBN单晶形貌及其周围物相进行了表征.结果表明:在大颗粒cBN单晶周围主要存在hBN、cBN及Li3BN2等物相.HRTEM在大颗粒单晶周围发现了纳米尺寸的cBN微颗粒,并发现该微颗粒处在Li3BN2物相包裹中.由此可以推测,高温高压状态下,hBN与Li3N发生共熔反应生成Li3BN2,而Li3BN2作为触媒中间相促使cBN的形成.同时结合SEM结果分析表明,一旦cBN微颗粒形成,在随后的生长过程中,cBN在Li3BN2熔体中以扩散的方式进行台阶生长,从而形成宏观可见的cBN单晶.     

添加籽晶对合成立方氮化硼单晶的影响

采用Li3N、Ca3N2作为触媒,在高温高压(HPHT)条件下合成立方氮化硼(cBN)单晶,合成过程中通过加入籽晶的方式获得cBN单晶.通过改变籽晶的加入量和粒度,研究籽晶对合成cBN单晶产量的转化率、大颗粒单晶(30/50目)比例以及单晶静压强度等性能的影响;利用扫描电子显微镜对在不同条件下合成出的单晶颗粒形貌进行观察和对比.结果表明,在HPHT下,添加3wt‰的270/325目的籽晶合成出的cBN单晶尺寸为0.5mm左右,且cBN单晶晶形规则,晶面多为(111)和(110)面,缺陷较少;30/50目的cBN单晶的静压强度为44.5 ～48.2 N;合成cBN单晶的粒度整体提高.在Li3 N-hBN体系中,添加270/325目籽晶合成cBN单晶产量的转化率为45.5;;添加100/120目的籽晶合成cBN单晶的大颗粒单晶(30/50目)的转化率达60.3;.在Ca3N2-hBN体系中合成cBN单晶的效果较差一些.     

立方氮化硼单晶生长界面层的精细结构

以Li3N为触媒、六方氮化硼(hBN)为原料,采用静态高温高压法合成立方氮化硼(cBN)单晶.为探讨cBN合成机理,利用扫描电镜观察了cBN单晶生长界面层形貌,利用俄歇电子能谱和X射线光电子能谱对界面层精细结构进行了表征.结果表明,cBN单晶被合成后的触媒粉末所包裹,界面层中B、N元素相对比例基本保持不变,且随着距离cBN单晶越来越近,B、N元素的sp2杂化态逐渐减少,sp3杂化态逐渐增多,这说明hBN含量逐渐减少,而cBN含量逐渐增多.由于Li元素非常活泼,在高温高压体系中的电子结构极不稳定,故可以作为电子转移的桥梁,完成电子由N向B的转移.据此认为在cBN单晶生长界面层中,B、N元素的sp2杂化态逐渐转变成了sp3杂化态.以上结果说明hBN在触媒催化作用下可直接转变为cBN.     

cBN单晶合成效果与合成后Li基触媒组织结构的相关性研究

采用锂基触媒(Li3N)和六方氮化硼(hBN)为原料,在静态高温高压条件下加入(270/325目)籽晶批量合成出了大颗粒立方氮化硼(cBN)单晶(＞70目).通过X射线衍射仪(XRD)对触媒层内物相进行标定,采用K值法、绝热法、RIR值等理论方法,计算出样品触媒层内各物相的质量分数,比较了单晶合成效果好与差的触媒层内物相含量的差别;利用扫描电子显微镜(SEM)对样品触媒层的形貌进行观察,比较了单晶合成效果好与差的触媒层形貌的差别.结果表明:cBN单晶合成效果不同,其触媒组织结构有着明显的差异.当单晶合成效果较好时,触媒层中Li3BN2的含量为49;,cBN的含量为5;,hBN的含量为46;,触媒层内存在较均匀的熔融球状组织和管状组织,且离单晶表面越近管状组织越多;当单晶合成效果较差时,触媒层中Li3BN2的含量为10;,cBN的含量为49;,hBN的含量为41;,触媒层内只存在熔融球状组织.分析认为,触媒层中的cBN和Li3BN2的含量是影响大颗粒cBN单晶合成效果的主要因素.     

cBN合成块断口形貌观察及XRD分层表征

以Li3N为触媒,采用静态高压法合成了大颗粒立方氮化硼单晶.以扫描电镜(SEM)观察了快冷后的的立方氮化硼(cBN)合成块的断口形貌,并利用X射线衍仪(XRD)对cBN晶体附近的物质分层进行了表征.扫描结果显示,cBN处于熔融状物质的包裹之中,并在cBN的裸表面发现了生长台阶及近似熔入台阶中的颗粒状物质;XRD分层表征结果表明,cBN晶体表面分层界面中检测出含有中间相Li3BN2和cBN小颗粒.由此推断,高温高压下Li3N可以与hBN发生共熔反应并转变为中间相Li3BN2;根据分层表征结果可推测,在适量中间相Li3BN2存在的区域cBN小颗粒更易于聚集并通过不断消耗扩散到大颗粒cBN晶体表面的cBN小颗粒的方式不断长大.     

Li3N触媒粒度对立方氮化硼单晶合成效果的影响

在压力4.5 ～5.3 GPa,温度1350 ～ 1500℃条件下,分别以不同粒度的Li3N粉末作为触媒,采用高温高压触媒法合成了立方氮化硼(cBN)单晶.研究了Li3N触媒粒度对cBN单晶合成效果的影响,对得到的cBN单晶的产量、转化率、大晶粒含量和抗压强度等待性进行了检测对比.结果表明,当Li3N触媒的粒度为80～ 100 μm时,在高温高压下可以合成出大晶粒含量高、抗压强度高、生长完善且晶形完整度较高的cBN单晶;当Li3N触媒的粒度为60～ 80 μm时,在高温高压下合成出的cBN单晶产量和转化率较高.     

Li3N在KBH4和NH4Cl合成BN反应中的作用

采用氮气加压加温方法,以KBH4和NH4Cl为原料,通过在相同的温度、压力条件下,向反应体系中添加和不添加少量Li3N的对比实验,研究Li3N在KBH4和NH4Cl生成BN反应中的作用.反应产物中有无hBN和cBN生成是依据反应产物的X射线衍射图谱(XRD)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)中有无hBN和cBN物相出现确认的.谢乐公式被用于估算生成的BN的粒径.结果表明,在650℃、7MPa的反应条件下,以KBH4和NH4Cl为原料没有生成BN的反应发生.但当在原料中加入Li3N后,反应产物中有大量hBN和少量cBN生成,其中hBN的平均颗粒尺寸约为14nm.分析确认,Li3N在上述由KBH4和NH4Cl合成hBN和cBN的反应中起催化作用.而且加入Li3N后,由KBH4和NH4Cl合成BN的反应压力和时间都明显低于Hu等人的相关报道结果.     

三种氮化物触媒原料的cBN单晶合成效果

在压力4.2～5.5 GPa、温度1350 ～ 1540℃条件下,分别采用Li3N、Ca3 N2、Mg3N2三种氮化物粉末作为触媒合成出了cBN单晶;研究了三种触媒的cBN单晶合成效果,对得到的cBN单晶产量和转化率、粒度分布、抗压强度和表面形貌等进行了表征和对比,并讨论了三种触媒合成cBN单晶的经济性及其应用.结果表明,采用Li3N触媒合成出的cBN单晶,产量和转化率高,单晶粒度大,抗压强度高,晶体生长完善,生长缺陷少,但Li3N触媒价格昂贵,适用于工业化生产高品级cBN大单晶;采用Ca3N2触媒合成出的cBN单晶虽然其产量和转化率低,粒度较小,但生长较为完善,表面缺陷较少,同时Ca3N2触媒价格便宜,适用于工业化生产高品级的cBN小单晶;采用Mg3N2触媒合成出的cBN单晶产量和转化率居中,单晶粒度小,晶体表面粗糙,存在较多生长缺陷,但Mg3N2触媒价格低廉,可大大降低cBN单晶的生产成本,适用于工业化生产较低品级的cBN单晶和微粉.     

高温高压下高氮浓度金刚石大单晶的合成与研究

高温高压条件下,通过在Fe64Ni36-C合成体系中添加含氮化合物Ba(N3)2和羰基镍粉(carbonyl nickel)两种方式分别合成了高氮浓度金刚石大单晶.使用傅立叶红外光谱测试(FTIR)分别对所合成的金刚石大单晶进行了测试.对金刚石大单晶样品中氮的存在形式行了分析,并对晶体中的氮浓度进行了定量计算,进而对高氮浓度金刚石大单晶中A心氮原子对的形成机理进行了讨论.     

高温高压下微斜长石的阻抗谱实验研究

在1.0～3.0GPa,673～973K和10(-1)～10(6)Hz条件下,利用交流阻抗谱实验技术,首次对微斜长石[K(0.73)Na(0.16)Ca(0.09)(0.98)AlTi(0.01),Si(2.99)O8]电导率进行原位测量.实验结果表明:样品的复阻抗的模和相角对频率有很强的依赖性;样品电导率随着温度升高而增大,电导率的对数和温度的倒数之间关系符合Arrhenius线性关系;微斜长石电导率随着压力升高而降低,而活化焓随之增加;离子导电机制对高温高压下微斜长石的导电行为给予了合理的解释.     

过渡金属轻元素化合物的高温高压制备

过渡金属轻元素化合物（TMLEs）由于具备高硬度，高熔点，优异电学、磁学、超导等性质受到广泛关注，是一类 具有优异力学性能的功能性材料。优异力学性能与功能性的结合使TMLEs成为极端环境下使用的特种材料。然而， TMLEs的制备往往需要高温高压（HPHT）极端实验条件来克服能垒。目前，已经有了大量HPHT制备TMLEs的报道， 然而，多数只关注产物的性质，对在HPHT下TMLEs的生长机制报道较少。因此，总结HPHT制备的TMLEs，分析TMLEs的晶体生长过程，对理解TMLEs的晶体生长机理、探究新型 TMLEs的制备具有重要意义。结合本课题组研究 经验及其他相关文献，总结了HPHT方法制备的过渡金属硼化物（TMBs）、碳化物（TMCs）和氮化物（TMNs）的晶体生 长情况，分别从起始原料、温压条件、晶体形貌等方面分析了TMLEs的生长机制。总结如下：通过原料配比和温度控 制是制备TMBs单一相的关键，提出硼亚结构单元是使TMBs形成台阶式生长模式的本质因素，碳源和氮源的选择决 定了 TMCs和TMNs的生长机制。同时提出，缺少利用HPHT制备TMLEs毫米级单晶的报道，限制了TMLEs部分本 征的性质探究；并且，新型高轻元素含量的TMLEs结构依然有待开发。随着人类对材料的要求越来越苛刻，以及TMLEs的不断发展，TMLEs将在未来特种材料领域具有不可替代的地位。     

Preparation of High Purity Aromatic Hydrocarbons. Part I. Preparation of High Purity Coal-Tar Anthracene

This paper reports a relatively simple and effective method of purification of anthracene produced by “Naftochem” Poland, and describes a procedure for the analysis of its contents by using chromatography methods. The method of purification is based on the following steps:

(1) Selective recrystallization of purified anthracene in dimethylsulfoxide (DMSO).

(2) Removal of traces of DMSO left over after recrystallization.

(3) Zone refining.

The effectiveness of recrystallization and the composition of the purified material were assessed by using thin-layer and gas chromatography, respectively.     

MPCVD单晶金刚石高速率和高品质生长研究进展

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备大尺寸高品质单晶金刚石的理想手段之一.然而其较低的生长速率(～10μm/h)以及较高的缺陷密度(103～107 cm-2)是阻碍MPCVD单晶金刚石应用的主要因素,经过国内外研究团队数十年的不懈努力,在高速率生长和高品质生长两个方面都取得了众多成果.但是除此之外还需解决高速率与高品质生长相统一的问题,才能实现MPCVD单晶金刚石的高端应用价值.     

添加不同硼源时金刚石的高温高压合成

在压力6.5 GPa、温度1290～1350℃实验条件下,研究了合成体系中分别添加单质硼、六角氮化硼(h-BN)时金刚石的合成.由于合成体系中添加剂的存在,导致所合成的金刚石颜色发生了明显的改变.傅里叶显微红外光谱(FTIR)测试表明,当合成体系中h-BN添加量较少时,所合成金刚石中含有替代式的氮杂质,且金刚石中有sp2杂化的硼-氮、硼-氮-硼结构存在.当合成体系中h-BN添加量达到2 wt;时,金刚石中的氮仅以硼-氮-硼的结构存在.此外,霍尔效应测试结果表明,硼掺杂金刚石具有p型半导体特性,而合成体系中添加h-BN所制备的金刚石表现为绝缘体.     

高温高压下Z轴水晶的电导率实验研究

电导率测量的过程历经了从直流一交流一阻抗谱的过程,已经为地球物理学家借助于高温高压手段研究固体深部物质电学性质所广泛认同的.本文首先介绍了阻抗谱法测定水晶电导率的实验原理,进而采用该方法在10-1～106Hz的频率范围以及1.0～4.0GPa和823～1073K条件下,借助于YJ-3000t紧装式六面顶高压设备对沿Z轴方向生长的水晶进行了的电导率实验就位测量.实验结果表明:在选择的频率范围,样品的复阻抗的模和相角都对频率具有很强的依赖性;随着温度的升高,电阻迅速降低,电阻率降低,电导率增大;在压力1.0～4.0GPa,其活化焓分别为:0.8548eV、0.8320eV、0.8172eV、0.7834eV,独立于温度的指前因子分别为:1.003S/m、1.778S/m、3.082S/m、6.987S/m,活化焓随着压力的升高而降低,指前因子随着压力的升高而增大.     

采用高压RF-PECVD法制备高电导、高晶化率的p型微晶硅材料

本文报道了采用高压射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)方法制备高电导、高晶化率的p型微晶硅材料的结果.重点研究了反应压力和辉光功率对p型微晶硅材料结构和电学特性的影响.通过沉积参数的优化,在很薄的厚度(33nm)时,材料的暗电导率依然达到1.81S/cm,激活能达25meV,晶化率为57;.文中还对高压RF-PECVD能够制备p型微晶硅材料的生长机理和高电导机理进行了分析.     

高温高压退火对碳化硅性能的影响

以CVD生产的碳化硅为原料在高温高压下进行退火处理,探究退火温度对碳化硅性能的影响.实验结果表明:随着退火温度的增加,碳化硅的颜色由浅绿色变为无色;体积有明显的缩小、密度增加;退火后碳化硅的抗压强度显著增强,机械强度有所增加;退火后的SiC结构并没有发生变化,15R-SiC在798.6 cm-1处拉曼峰强度减少,4H-SiC在970 cm-1拉曼峰强度有所增强.     

High resolution patterning of silica aerogels

Three-dimensional metallic structures are fabricated with high spatial resolution in silica aerogels. In our method, silica hydrogels are prepared with a standard base-catalyzed route, and exchanged with an aqueous solution typically containing Ag⁺ ions (1 M) and 2-propanol (0.2 M). The metal ions are reduced photolytically with a table-top ultraviolet lamp, or radiolytically, with a focused X-ray beam. We fabricated dots and lines as small as 30 × 70 μm, protruding for several mm into the bulk of the materials. The hydrogels are eventually supercritically dried to yield aerogels, without any measurable change in the shape and spatial resolution of the lithographed structures. Transmission electron microscopy shows that illuminated regions are composed by Ag clusters with a size of several μm, separated by thin layers of silica.