籽晶尺寸对宝石级金刚石单晶生长的影响

本文在国产六面顶压机上,在5.6 GPa, 1250—1450℃的高压高温条件下,分别选用边长0.8, 1.5和2.2 mm三种尺寸的籽晶,系统开展了Ib型宝石级金刚石单晶的生长研究.文中系统考察了籽晶尺寸对宝石级金刚石单晶生长的影响.首先,考察了籽晶尺寸变化对宝石级金刚石单晶裂晶问题带来的影响.研究得到了籽晶尺寸变大,裂晶出现概率增加的晶体生长规律.其次,在25 h的生长时间内,考察了上述三种尺寸籽晶生长金刚石单晶时,生长时间与单晶极限生长速度的关系.得到了选用大尺寸籽晶,可以提高优质单晶合成效率、降低合成成本的研究结论.借助扫描电子显微镜和光学显微镜,对三种尺寸籽晶生长金刚石单晶的表面形貌进行了标定.最后,傅里叶微区红外测试,对三种尺寸籽晶生长宝石级金刚石单晶的N杂质含量进行了表征.研究得到了选用大尺寸籽晶实现快速生长金刚石的同时,晶体的N杂质含量会随之升高的晶体生长规律.     

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.     

高温高压下氮氢协同掺杂对{100}晶面生长宝石级金刚石的影响

在压力为5.5–6.2 GPa, 温度为1280–1450 ℃的条件下, 利用温度梯度法详细考察了氮氢协同掺杂对100晶面生长宝石级金刚石的影响. 实验结果表明伴随合成腔体内氮、氢浓度的升高, 合成条件明显升高, 金刚石生长V形区间上移; 晶体的红外光谱中与氮相关的吸收峰急剧增强, 氮含量可达2000 ppm, 同时位于2850 cm^-1和2920 cm^-1对应于 sp³杂化 C–H 键的对称伸缩振动和反对称伸缩振动的红外特征峰逐渐增强, 表明晶体中既有高的氮含量, 同时又含有氢. 对晶体进行电镜扫描发现, 氮氢协同掺杂对晶体形貌影响明显, 出现拉长的{111}面, 且晶体表面上有三角形生长纹理. 拉曼测试表明, 晶体的峰位向高频偏移、半峰宽变大, 说明氮、氢杂质的进入对晶体内部产生了应力. 本文成功地以{100}晶面为生长面合成出高氮含氢宝石级金刚石单晶, 在探究氮氢共存环境下金刚石生长特性的同时, 也可为理解天然金刚石的形成机理提供帮助.     

天然金刚石平行{100}的正常生长

利用同步辐射对天然金刚石晶体进行了形貌学研究,在近完事晶体内观察到晶体以平行{100}生长为主的正常生长,而不是前人所常见的平行{111}生长。生长带方向平行于（100）、（100）和（010）、（010）。生长带分布在偏离晶体中心的曲面内。由生长带的分布与形态可以观察到晶体不同晶面的生长速度具有明显差异。     

高温高压下掺硼宝石级金刚石单晶生长特性的研究

本文在5.1—5.6 GPa,1230—1600℃的压力、温度条件下,以FeNiMnCo作为触媒,进行单质硼添加宝石级金刚石单晶的生长研究.借助于有限元法,对触媒内的温度场进行模拟.研究得到了FeNiMnCo-C-B体系下,金刚石单晶生长的P-T相图.该体系下合成金刚石单晶的最低压力、温度条件分别为5.1 GPa,1230℃左右.研究发现,在单晶同一{111}扇区内部,硼元素呈内多外少的分布规律.有限元模拟结果给出,该分布规律是由在晶体生长过程中,{111}扇区的增长速度逐渐减小所致.{111}晶向的晶体生长实验结果表明,硼元素优先从{111}次扇区进入晶体.研究发现,这是该扇区增长速度相对较快,硼元素扩散逃离可用时间短导致的.另外,同磨料级掺硼金刚石单晶生长相比,对于温度梯度法生长掺硼宝石级金刚石单晶,由于晶体的增厚速度较慢,即使硼添加量相对较高,也可以实现表面无凹坑缺陷的优质金刚石单晶的生长.     

温度梯度法宝石级金刚石的合成及表征

利用温度梯度法,在5．0—5．7GPa,1250---1600℃条件下,研究了FeNiMnCo触媒合成宝石级金刚石的温度和压力区间,给出了P-T相图．基于有限元法的温度场模拟及碳素浓度梯度拟合结果表明,I型温度场只适合生长大尺寸优质板状及小尺寸塔状金刚石单晶;II型温度场可以合成出大尺寸优质板状或塔状金刚石单晶．该结论被Ib型及掺硼宝石级金刚石晶体生长实验所证实．提出碳素浓度梯度是决定晶体生长速度及合成晶体品质的关键因素．研究得到了只有触媒中温度场分布与晶体尺寸、形貌相匹配时,才能合成出优质宝石级金刚石单晶的晶体生长规律．揭示了{110},和{113}高指数晶面在Ib型金刚石“V”形区内的分布规律．通过傅里叶红外光谱检测发现,FeNiMnCo触媒合成金刚石的氮含量较低,较低的氮含量是由铁会降低金刚石氮含量所致．氮含量低有利于金刚石的光谱透过性．     

高长径比柱状金刚石的高温高压合成与机理研究

为了拓展金刚石的种类和解决金刚石工具使用过程中因把持力不足造成的使用寿命降低等, 在中国式六面顶压机上, 通过对FeNi触媒成分和工艺的优化, 成功合成出高质量长径比大于2.5, 平均粒度在0.8—1.0 mm的柱状金刚石晶体. 该晶体独特的形貌, 将极大改善金刚石工具的在使用过程中出现的"脱粒"现象. 另外, 实验中发现, 柱状金刚石晶体的生长速度也远大于传统晶体的生长速度. 采用扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)等手段对柱状金刚石晶体及晶体周围触媒成分进行了表征; 结果表明, 柱状金刚石晶体在生长过程中存在{100}和{111}晶面拉长, 以及包覆在晶体周围的触媒成分偏析. 在此基础上, 阐明了柱状晶体生长机理.     

Ib型金刚石大单晶的限形生长

金刚石的限形生长有利于其后续加工.对于磨料级金刚石限形生长的研究已经比较透彻,但金刚石大单晶的限形生长尚缺乏全面系统的研究.本文以Fe Ni(64wt%:36wt%)合金为触媒,利用高温高压下的温度梯度法在5.6 GPa时对不同温度下分别沿(100)面和(111)面生长的Ib型金刚石大单晶的晶形进行了研究.研究表明:随着温度的升高,沿(100)晶面生长的金刚石大单晶的晶形分别为板状、塔状直至尖塔状,而沿(111)面生长的金刚石大单晶的晶形则分别为塔状和板状;分析了不同温度下分别沿(100)面和(111)面生长金刚石大单晶不同晶形高径比的变化情况.利用不同压力和温度下的金刚石大单晶合成实验绘制了沿(100)和(111)面生长金刚石大单晶的晶形在V形生长区域内的分布示意图,表明沿(111)面生长的金刚石大单晶V形区温度下限明显比以(100)面生长的高,而沿这两面生长金刚石大单晶的V形区温度上限差别并不明显.对不同生长面V形区温度上下限的差别进行了解释,据此实现了Ib型金刚石大单晶的限形生长.     

矿化剂浓度和温度对水热法合成氧化锌晶体形态的影响

采用水热法，通过改变矿化剂浓度和温度合成了具有不同形态的氧化锌晶体。在较低的温度(350℃)，填充度为35％。矿化剂KOH浓度小于2mol／L时，只合成了氧化锌微晶。当矿化剂KOH浓度大于3mol/L时，合成出多种形态氧化锌晶体，大的晶体达到几十到几百微米，小晶体仅几微米。当矿化剂KOH浓度从4mol／L增加到5mol／L时，晶体的大小没有明显改变。在高矿化剂条件下合成的晶体显露完整的晶面结构，主要显露柱面m{1010}、锥面p{1011}、负极面O面{0001}，有时也显露Zn面{0001}。晶体表面出现斑坑，显示出晶体的表面缺陷。在430℃，填充度为35％，矿化剂KOH浓度大于1．5moL／L时。合成了多种形态氧化锌晶体，大晶体有几十到几百微米，小晶体仅几微米。当矿化剂KOH浓度为2mol／L，KBr浓度为lmol/L时，最大晶体的长度达到1mm。矿化剂KOH浓度为4mol/L时，晶体没有增大。粒度较大的氧化锌晶体形状多为六棱锥体，显露柱面m{1010}、锥面p{1011}、负极面O面{0001}。晶体表面光滑，完整性好。质量高于350℃时合成的晶体。     

合成腔体尺寸对Ib型六面体金刚石单晶生长的影响

利用液压缸直径为550 mm的大缸径六面顶压机, 在5.6 GPa, 1200-1400 ℃的高压高温条件下, 分别采用单晶种法和多晶种法, 开展了Ib型六面体宝石级金刚石单晶的生长研究, 系统考察了合成腔体尺寸对Ib型六面体金刚石大单晶生长的影响. 首先, 阐述了合成腔体尺寸对合成设备油压传递效率的影响, 研究得到了设备油压与腔体内实际压力的关系曲线; 其次, 选择尺寸为Φ 14 mm的合成腔体, 分别采用单晶种法和多晶种法(5颗晶种), 进行Ib型六面体金刚石大单晶的生长实验, 研究阐述了Φ 14 mm合成腔体的晶体生长实验规律; 再次, 为了解决液压缸直径与合成腔体尺寸不匹配的问题, 将合成腔体尺寸扩大到26 mm, 并开展了多晶种法六面体金刚石大单晶的生长研究, 最多单次生长出14 颗优质3 mm级Ib型六面体金刚石单晶, 研究得到了Φ 26 mm合成腔体生长3 mm级Ib型六面体金刚石单晶的实验规律, 并就两种腔体合成金刚石单晶的总体生长速度与生长时间的关系进行了讨论; 最后, 借助于拉曼光谱, 将合成的优质六面体金刚石单晶与天然金刚石单晶进行对比测试, 对所合成晶体的结构及品质进行了表征.     

高温高压条件下石墨的再结晶与金刚石单晶的生长

 用电子显微镜观察到了在高温高压条件下再结晶石墨的形状随温度变化而改变的规律。实验表明：从石墨向金刚石的转变，与石墨在催化剂——溶剂合金中的再结晶状态有关，类球形再结晶石墨是转变成金刚石小单元的基础。金刚石晶体的不同形态及其多样化的表面结构表明金刚石单晶的生长具有比较复杂的过程。研究了具有一定规则形状由类球形再结晶石墨晶粒组成的聚合体，这种聚合体将在适当温度压力下转变成金刚石颗粒。本研究给出了生长粗颗粒、晶形完整的金刚石单晶的原则办法。     

C60单晶的表面形貌与生长缺陷

用气相法生长出了毫米尺寸的具有规则晶面和金属光泽的高质量的纯C₆₀单晶.X射线衍射分析表明,C₆₀单晶在室温下具有面心立方(fcc)结构,晶格常数为α=1.4199(4)nm。用扫描电子显微镜和光学显微镜观察了C₆₀单晶的形貌,除观察到fcc结构的晶体所特有的{111}和{200}两种稳定晶面以及非常容易形成的孪晶之外,还发现了在{111}面上的树枝状、垄状和生长丘以及在{200}面上的树枝状、游泳池状和生长丘的生长缺陷。对C_{60 关键词：}     

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.     

不同厚度的Nd123片层的2-2复合籽晶对SmBCO样品生长的影响

采用MgO单晶与NdBa2Cu3O7-δ(Nd123)粉体的2-2复合体籽晶可以充分利用MgO与NdBCO籽晶的优势,对SmBCO晶体的生长起到了很好的诱导作用,成功制备出单畴SmBCO超导块材.本文采用不同厚度的Nd123片层和MgO单晶作为2-2复合体籽晶通过顶部籽晶熔渗生长工艺(TSIG)制备SmBCO超导块材,研究了Nd123片层的厚度对SmBCO样品生长的影响.结果表明,随着Nd123片层厚度的增加,样品的单畴形貌逐渐消失,并且出现了随机成核.通过对样品的生长特性和微观结构的研究,阐明了不同厚度的Nd123片层对SmBCO晶体生长形貌的影响机制.     

高温高压下金刚石单晶生长过程的声发射动态特征

采用声发射技术对高温高压下人造金刚石单晶的生长过程进行了动态检测。结合合成压块的断口形貌,对金刚石单晶生长过程对应的主要声发射参数进行了分析。结果表明,声发射信号的能量计数、振铃计数、幅度和上升时间等特征参数能客观反映金刚石单晶在高温高压下的动态生长规律,为研究金刚石单晶的生长机制提供了重要的实验依据。     

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.     

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.     

国产六面顶压机多晶种法合成宝石级金刚石单晶

对国产六面顶压机平台下使用多晶种法合成宝石级金刚石单晶进行了系统的研究. 通过合理调整温度梯度法的合成腔体组装, 采用多晶种法, 探索多晶种法金刚石合成的压力和温度区间, 在单个合成腔体内放置3–5颗金刚石晶种, 成功合成出多颗(3–5)优质Ib型宝石级金刚石单晶. 多颗晶种的引入, 单次实验合成的多个金刚石晶体晶形及品质一致; 同时, 晶体的整体生长速度也有明显的增大. 多晶种法金刚石单晶合成的研究, 可以有效地利用腔体空间、提高单次金刚石单晶合成的效率, 解决压机大型化下高温高压资源利用率低的问题; 同时, 为宝石级金刚石单晶商业化生产提供重要的依据. 关键词： 金刚石 国产六面顶 多晶种 温度梯度法     

液封坩埚下降法生长非掺杂InP单晶的特性研究

用液封坩埚下降(LE-VB)法沿〈100〉晶向成功地生长了非掺杂InP单晶。LE-VB晶体的4.2K光致发光谱包含束缚于中性浅受主上的激子发光、与Zn受主相关的施主-受主(DA)对发光及其声子伴线、以及与本征缺陷等有关的深能级发光三部分。通过与液封直拉(LEC)生长的籽晶的光致发光谱比较表明,在LE-VB晶体中,束缚于中性浅受主上的激子发光与籽晶中的相差不大;DA对发光的晶格弛豫比籽晶中的小;与本征缺陷等有关的深能级发光强度比籽晶中的弱。晶体的室温光致发光谱仅包含带-带发光,其发光强度形貌测试结果表明,LE-VB晶体的带-带发光强度比LEC籽晶的强。用Huber法对晶片腐蚀的结果表明,在LE-BV晶体中,位错密度仅为LEC籽晶中的三分之一。分析认为,在LE-VB晶体中,本征缺陷和位错等浓度较低,可能是其带-带发光强度比在LEC籽晶中强的物理起因。     

CVD金刚石薄膜孪晶形成的原子机理分析

采用X射线衍射技术、电子背散射衍射技术和扫描电镜分别观察了不同甲烷浓度条件下沉积的CVD自支撑金刚石薄膜的宏观织构、晶界分布和表面形貌. 研究了一阶孪晶在金刚石晶体{111}面生长的原子堆垛过程. 结果表明，由于一阶孪晶〈111〉60°的取向差关系以及{111}面的原子堆垛结构，使{111}面上容易借助碳原子的偏转沉积产生一阶孪晶. 低甲烷浓度时，碳原子倾向于在表面能较低的{111}面沉积，为孪晶的形成提供了便利，且高频率孪晶使薄膜织构强度减弱. 甲烷浓度升高使生长激活能较小的{001}面成为主要前沿生长面，因而只有〈001〉晶向平行薄膜法向的晶粒能够不断长大，因此孪晶形核概率明显减小. 另外，在薄膜中发现二阶孪晶，并对二阶孪晶的形成进行了分析. 关键词： 金刚石薄膜 孪晶 原子机理 取向差