CH_4N_2S掺杂金刚石的高压合成及其色心研究

压力、温度分别为6.5 GPa、1300～1350℃的实验条件下,在Fe Ni-C体系中添加硫脲(CH_4N_2S),利用温度梯度法成功合成了掺杂CH_4N_2S的金刚石。光致发光(PL)光谱测试结果表明:所合成的金刚石晶体中均有尖锐的Raman峰存在,且该峰位于522 nm处;当合成体系中CH_4N_2S的添加量为1 mg时,所对应的晶体中未发现有NV色心存在,但在以晶种(100)面生长的金刚石晶体中出现了3H色心,并且3H色心会随着合成体系中CH_4N_2S添加量的增加逐渐消失。当合成体系中添加2 mg的CH_4N_2S时,以(111)面为生长面所合成的金刚石晶体中同时含有NV~0和NV~-色心,此时NV~-色心所对应的PL谱的强度是所有晶体中最强的。当合成体系中添加3 mg的CH_4N_2S时,不管以(100)还是(111)为生长面,所获得的金刚石晶体中只含有NV~-色心。     

硫脲掺杂金刚石的高温高压合成及FT-IR光谱研究

利用温度梯度法,在6.5 GPa、1 300～1 350℃的高温高压极端物理条件下,通过在FeNiCo-C合成体系中添加硫脲(CH4N2S)成功合成了金刚石,所合成的晶体呈现出黄色且具有六-八面体形貌.利用扫描电镜(SEM)对所合成金刚石的表面形貌进行了表征,测试结果表明,随着合成体系中CH4N2S添加量的逐渐增加,所合成金刚石的表面变得逐渐粗糙.借助傅里叶红外(FT-IR)光谱对金刚石样品内部的氮、氢缺陷以及化学键结构进行了测试分析,结果表明,金刚石中的氢元素以-CH3,-CH2-,C-H形式存在,而其内部的氮杂质以C心、A心形式存在.此外,在3 300～3 600 cm-1观察到NH的吸收带.     

硼、氮共掺杂金刚石的高温高压退火研究

本文通过温度梯度法在5.5 GPa和1300℃的条件下合成了硼、氮共掺杂金刚石单晶.随后分别在5.0 GPa,2000℃和2100℃的条件下对合成金刚石进行了高温高压(HPHT)退火处理.傅里叶红外光谱(FT-IR)测试表明高温高压退火后晶体内部单一替代形式的C心氮转变成了聚集态A心氮,且随着退火温度的升高A心氮的含量提高.晶体内部带正电荷的氮离子N+的含量并未受到退火处理的影响.经过高温退火后晶体内部出现了NV0和NV-色心,但是继续提高退火温度时NV色心消失.高温高压退火并未对金刚石晶体的结构及内应力产生明显的影响.高温高压退火处理后金刚石晶体的热稳定性能提高,其起始氧化温度、剧烈氧化温度以及质量急剧减少的温度点分别提高了65℃、55℃以及61℃.本文对高温高压退火处理应用到硼、氮共掺杂金刚石提供了指导.     

高温高压氮掺杂金刚石的光致发光研究

本文利用激光共聚焦显微拉曼光谱仪表征了高温高压法合成的氮掺杂金刚石,并分析了该晶体的光致发光特性.结果表明,金刚石晶体内部含氮量比晶体表面高,且由于氮原子尺寸较大,使得晶体内部应力较高,晶化程度弱化;另外,氮掺杂金刚石的光致发光主要以氮-空位(NV)复合缺陷为主;氮含量高的区域,NV缺陷发光增强,且NV-/NV0强度比也增强.这是因为氮作为施主原子,有利于负电荷缺陷即NV-中心的形成;同时氮含量升高,也会使得费米能级向NV-中心的基态靠近,这也造成了NV-/NV0强度比随氮含量增加而增强.     

硼和氮掺杂金刚石单晶的合成与Raman光谱研究

氮(N)元素和硼(B)元素为金刚石晶体中常见的两种杂质元素,它们对金刚石的物理化学性质有着重要的影响.本文使用高温高压温度梯度法合成了分别含有氮和硼杂质的金刚石单晶,并使用Raman光谱对晶体进行分析研究.研究发现:随着金刚石生长体系内杂质的引入,晶体的质量变差;当生长体系含有氮杂质时,生长的含氮金刚石晶体的特征峰谱线向低波数偏移,晶体的应力表现为拉应力;当生长体系含有硼杂质时,生长的含氮金刚石晶体的特征峰谱线向高波数偏移,晶体的应力表现为压应力.本研究将有助于丰富金刚石单晶掺杂的认识.     

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.     

富硼体系中立方氮化硼晶体的生长

本文在hBN-Li3N体系中添加不同含量的单质硼(B),研究了cBN晶体在富B条件下的生长特性.结果表明,B进入晶体的位置具有明显的区域选择性.B以占据N(111)面内N空位的方式进入晶体,并与原有的N原子一起形成一个B原子和N原子的(111)面.随着B进入量的增加,越来越多的B原子取代N空位,B和N原子的混合面与邻近的B(111)面叠加,在晶体的中心部位形成颜色较深的三角形阴影并逐步扩展,最后,使晶体完全变成黑色.由于B占据N空位造成原来N的(111)面上有大量硼原子存在,使得晶体沿＜111＞方向生长困难而有利于沿＜100＞方向生长, 从而形成了八面体或类球形晶体.同时,由于加入的B与部分Li3N发生化学反应也可生成cBN,因此,体系中cBN晶体的形成受两种机制控制:一种为溶解析出过程,另一种为化学反应过程.cBN的产率随着B添加量的增加而降低的实验结果表明,溶解析出过程占主导地位.     

锌添加对大尺寸硼掺杂金刚石生长的影响

采用高温高压法在NiMnCo体系下,通过添加低熔点金属锌合成出硼掺杂金刚石晶体.探究锌添加剂对硼掺杂金刚石晶体合成条件、形貌、颜色的影响.实验结果表明在NiMnCo体系中,随着锌添加量增加,硼掺杂金刚石的合成压强和温度明显提高,晶体的颜色逐渐变黑;红外吸收光谱显示,随着锌添加量的增加,氮杂质特征吸收峰1130 cm-1和1344 cm-1逐渐消失,氮杂质含量降低至消失;1290 cm-、2460 cm-1、2800 cm-1硼相关吸收峰增强,即硼杂质的含量逐渐增多.在传统NiMnCo触媒体系下,锌的添加有利于硼原子进入金刚石晶格中去,本工作为合成高质量硼掺杂金刚石提供新的思路.     

Fe70Ni30粉末触媒中Ⅱa型金刚石大单晶的高温高压合成

在6.5 GPa高压条件下,使用Fe70Ni30粉末触媒研究了Ⅱa型金刚石大单晶的合成.实验结果表明,若不对晶种表面进行保护,高温高压条件下金刚石晶种将发生碳化,致使难以合成出金刚石.当合成腔体中除氮剂Ti/Cu添加量达到2.2wt;时,所合成的金刚石大单晶呈现为无色透明,利用傅里叶显微红外光谱仪(FTIR)对所合成的金刚石大单晶进行了测试,所合成的晶体中不含有氮杂质.然而,F1IR测试结果表明所合成的Ⅱa型金刚石大单晶中有碳-氢基团的存在,其对应的FTIR特征吸收峰分别位于2850 cm-1和2920 cm-1处.此外,所合成的Ⅱa型金刚石大单晶的Raman特征峰位于1132.13 cm-1处,且其结晶度非常高.