人造金刚石/金属包膜界面差异性研究进展

在高温高压条件下,利用过渡族金属触媒合成金刚石单晶时,金刚石单晶表面的金属包膜在不同的生长界面上呈现不同形貌花样,揭示其本质对研究金刚石单晶的合成机理具有重要意义.本文从金属包膜不同界面间在形貌、成分、组织结构等方面的差异性出发,阐述了近年来人造金刚石单晶生长机理的研究现状,同时又提及余氏理论和程氏理论在金属包膜界面研究中的应用.并在此基础上提出今后的研究方向.     

高温高压下石墨-Ni70Mn25Co5体系中金刚石单晶合成工艺参数对金属包膜的影响

利用扫描电子显微镜和能谱仪,研究了高温高压下金刚石单晶合成工艺参数对石墨-Ni70Mn25Co5体系中金属包膜组织形貌和成分的影响。结果发现:合成压力和合成温度都合适时,金属包膜中基本无条状石墨,而且包膜中间都存在网状物,包膜中存在着明显的碳、镍和锰的成分起伏;此时合成时间对包膜的形貌影响不明显;而合成压力为5.1GPa的包膜中存在大量条状石墨,包膜中间无网状物。分析认为,网状物为溶入了锰、钴的镍基γ固溶体,该固溶体是高温高压合成过程中促使金刚石转变的催化相。     

人造金刚石金属包膜研究进展

对高温高压下合成金刚石形成的金属包膜的深入研究具有重要意义,有可能是揭示金刚石合成机理的     

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.     

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.     

金刚石合成用触媒的应用及展望

金刚石是集多种极限性能于一身并可在各种严苛环境下工作的理想材料.触媒材料能降低金刚石高温高压合成条件并使金刚石合成得以工业化.触媒对金刚石的科学研究和工业技术的提高是十分重要的.本文介绍了触媒材料的发现历程及触媒在金刚石合成中的作用机理;从触媒所包含的金属触媒和非金属触媒两大类分别综述了各种触媒的研究现状.在研究上述各触媒在金刚石合成中的合成条件及合成效果的基础上对这两类触媒的使用特点进行了总结.由此指出金属触媒中的合金触媒最适合应用在工业生产上,非金属触媒有利于模拟天然金刚石的成因,具有潜在的研究价值.最后本文对今后触媒的发展方向进行了展望.     

不同衬底材料上金刚石薄膜成核特点的研究

研究了金刚石薄膜在WC-6;Co硬质合金、金属W和单晶Si片上的成核特点.实验结果表明,金刚石薄膜在上述衬底材料上的成核特点和成核机制不同.用于衬底研磨预处理的金刚石微粉粒度对金刚石在单晶Si片上的成核密度有较大影响,而对在WC-6;Co硬质合金和金属W上的成核密度没有太大影响.     

用FeNiMn55#粉末触媒合成工业金刚石

利用FeNiMn55#粉末触媒在国产六面顶压机上进行工业金刚石单晶的合成,研究高温高压条件下(5.7 Gpa,1400～1600 ℃),C-FeNiMn55#粉末触媒体系中金刚石单晶的生长特性.结果表明,C-FeNiMn55#系能够合成出六-八面体及八面体金刚石,但六面体金刚石生长区间较窄,不易生长.通过光学显微镜观测表明,合成出的金刚石单晶呈黄色,晶形完整,晶体内部有气泡产生.M(o)ssbauer测试结果表明金刚石中包裹体的主要成分为Fe3C和FeNiMn55#合金.     

硼含量对含硼金刚石单晶电学性能的影响

采用碳化硼添加量不同的铁基触媒,在高温高压下合成含硼金刚石单晶.用数字电桥和自制的电阻测量夹具测量了含硼金刚石单晶的电阻;用阴极射线发光光谱测量了金刚石单晶的光子频数;用XRD检测了不同硼含量掺杂的金刚石单晶的晶体结构.结果表明:随着触媒中碳化硼添加量的增加,含硼金刚石单晶的电阻率降低,可呈现半导体电阻特性.其原因是硼元素的掺入促进了金刚石单晶的(111)晶面生长,使受主能级提高,晶体的带隙变窄,载流子浓度提高.     

金刚石单晶合成效果与合成后铁基触媒组织的相关性研究

采用粉末冶金法制备铁基触媒片,在六面顶压机上高温高压合成金刚石单晶.利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)等表征了不同成分的触媒以及同一触媒在不同合成时间条件下金刚石单晶的合成质量和合成后的铁基触媒组织.结果表明:当金刚石单晶合成质量较好时,合成后铁基触媒组织特征表现为初生板条状渗碳体分布较均匀,呈平行生长的条束,渗碳体的板条两边缘较平直,而且数量较多.触媒成分和合成时间是影响铁基触媒组织中初生渗碳体的数量和形态的主要因素.     

Diamond nanorods from nanocrystalline diamond films

Diamond nanorods (DNRs) have been prepared by hydrogen plasma post-treatment of nanocrystalline diamond films in radio-frequency (RF) plasma-assisted hot-filament chemical vapor deposition. Single-crystal diamond nanorods with diameters of 3–5 nm and with lengths up to 200 nm grow under hydrogen plasma irradiation of nanocrystalline diamond thin film on the Si substrate at high temperatures. The DNRs growth occurs from graphite clusters. The graphite clusters arises from the etching of diamond carbon atoms and from the non-diamond phase present in the parent film. The graphite clusters recrystallized to form nanocrystalline diamonds which further grow for diamond nanorods. The negative applied bias and surface stresses are suggested to support one-dimensional growth. The growth direction of diamond nanorods is perpendicular to the (1 1 1) crystallographic planes of diamond. The studies address the structure and growth mechanism of diamond nanorods.     

金刚石薄膜在硬质合金基体上的生长及附着强度研究

硬质合金是制作金刚石薄膜涂层刀具的重要基体材料,金刚石薄膜在硬质合金基体上的成核、生长及界面特征直接影响其附着强度.本文通过扫描电镜、X射线衍射分析、X射线光电子谱(XPS)及断续切削实验,研究了硬质合金基体含Co量对金刚石薄膜成核、生长及附着强度的影响.研究结果表明,经酸洗处理后,硬质合金基体含Co量对金刚石薄膜成核、生长没有太大影响.但对其附着强度有很大影响.含Co量越高,附着强度越低.酸腐蚀去Co处理后基体表面变得疏松、不连续非金刚石碳界面的存在及热膨胀系数较大是含Co量较高时,附着强度下降的主要原因.     

微波等离子化学气相沉积金刚石膜涂层氮化硅刀具

金刚石的成核和生长影响金刚石膜的质量.本文用自制的一种新型的不锈钢谐振腔型微波等离子CVD设备,等离子直径为76mm,均匀的温度分布使得金刚石膜均匀生长,在不同工艺条件下研究Si3N4陶瓷刀具上金刚石涂层的成核质量,用SEM,Raman检测和分析研究了在Si3N4刀具上高速高质量生长金刚石膜涂层的制备工艺,并检测了涂层刀具的切削性能,切削试验表明,在切削18wt;Si-Al合金时,金刚石涂层刀具比未涂层刀具的使用寿命增多10倍以上.     

高质量金刚石膜在无氧铜衬底上的MPCVD

本文采用高纯无氧铜(Cu)片作为基片,用自行设计的微波等离子体化学气相沉积系统,制备出了高质量多晶金刚石膜.用场发射扫描电子显微镜(SEM)、Raman散射谱和X射线衍射谱(XRD)对制备的金刚石膜进行了表征与分析,其结果证明金刚石膜具有较优的质量.     

Analysis of synthetic diamond single crystals by X-ray topography and double-crystal diffractometry

Structural features of diamond single crystals synthesized under high pressure and homoepitaxial films grown by chemical vapor deposition (CVD) have been analyzed by double-crystal X-ray diffractometry and topography. The conditions of a diffraction analysis of diamond crystals using Ge monochromators have been optimized. The main structural defects (dislocations, stacking faults, growth striations, second-phase inclusions, etc.) formed during crystal growth have been revealed. The nitrogen concentration in high-pressure/high-temperature (HPHT) diamond substrates is estimated based on X-ray diffraction data. The formation of dislocation bundles at the film-substrate interface in the epitaxial structures has been revealed by plane-wave topography; these dislocations are likely due to the relaxation of elastic macroscopic stresses caused by the lattice mismatch between the substrate and film. The critical thicknesses of plastic relaxation onset in CVD diamond films are calculated. The experimental techniques for studying the real diamond structure in optimizing crystal-growth technology are proven to be highly efficient.     

金刚石单晶合成工艺与铁基触媒中初生Fe3C形貌的关系

利用光学显微镜和X射线衍射等手段,表征了高温高压下合成金刚石单晶时不同合成工艺的铁基触媒合金组织结构.结果发现:金刚石合成效果较好时的触媒组织中Fe3C呈规则的条状,而合成效果不好时的触媒组织中局部出现了不规则的团絮状Fe3C.分析认为,Fe3C在不同的结晶条件下表现出不同的生长行为,高温高压下金刚石单晶的生长与触媒中Fe3C的生长行为有密切关系.     

工艺参数对高功率MPCVD金刚石膜择优取向的影响研究

使用自行研制的椭球谐振腔式MPCVD装置,以H2-CH4为气源、沉积功率8 kW条件下,在不同CH4浓度、沉积温度和气体流量工艺条件下制备了大面积金刚石膜.使用X射线衍射仪对金刚石膜的择优取向的变化规律进行了研究.实验结果表明,高功率条件下工艺参数对金刚石膜的择优取向有不同程度的影响.在CH4浓度由0.5;上升到1.0;时,金刚石膜的择优取向由(220)转变为(111),由1.O;上升到2.5;时,则由(111)转变为(220)以及(311);在700 ～ 1050℃温度范围内,随着沉积温度的升高,金刚石膜(111)择优取向生长的倾向增高,当沉积温度高于1050℃时,金刚石膜改变了原先的以(111)择优取向生长的趋势,变为了以(100)择优取向生长;在气体流速为200～1000 sccm范围内时,随气体流量的增加,金刚石膜(111)择优取向的倾向增加.当气体流量大于1000sccm时,金刚石膜(111)择优取向的倾向又稍有降低.     

基于光谱测试的纯净金刚石品质与缺陷研究

本文利用低温拉曼与光致发光光谱对纯净金刚石晶片的结晶质量、晶体应力分布进行表征分析,并结合电子辐照和快速退火对晶片的杂质缺陷结构开展研究。通过拉曼光谱对金刚石特征峰的表征分析发现,由于金刚石生长机制以及晶片的切割、抛光等因素影响,晶片的边缘与表面应力分布较高。光致发光光谱中的零声子线具有明显的温度依赖性,根据Jahn-Teller效应与电子-声子耦合理论阐明了测试温度变化引起中性单空位缺陷零声子线分裂与红移的机理。对晶片做电子辐照与退火调控处理后,晶片中氮-空位(NV)缺陷显著增多,表明在纯净晶片中氮主要以替代位氮杂质的形式存在。     

金刚石薄膜涂层刀具的破损机理研究

切削过程中金刚石薄膜从基体表面的破损剥落是金刚石薄膜涂层刀具的一种主要损坏形式.本文通过实验研究了金刚石薄膜涂层刀具的破损机理及刀具表面状态、切削用量对其损坏形式的影响.研究结果表明,较大的切削用量、机械冲击、交变切削载荷及积屑瘤频繁脱落等是导致金刚石薄膜涂层刀具破损剥落的主要原因.金刚石薄膜的破损剥落起始于薄膜与基体之间及薄膜底面金刚石晶粒之间的原始微小间隙缺陷,这些原始微小间隙缺陷是在沉积金刚石薄膜时,由于成核密度较低等原因而形成的.金刚石薄膜剥落时薄膜的断裂主要沿晶界发生.     

CVD法沉积金刚石薄膜中成核与生长的势垒研究

探明成核与生长的机理对于沉积高质量金刚石薄膜是十分重要的.本文采用PM3方法,计算了化学汽相沉积金刚石薄膜成核与生长阶段反应势垒.研究了对于不同反应气体(甲烷和乙炔)脱氢和增加沉积基团势垒的差异.结果说明,无论是成核阶段,还是生长阶段,脱氢势垒都小于加生长基团的势垒.然而,增加乙炔基的势垒大于增加甲基的势垒,这可能是因为乙炔分子必须打开C≡C键才能沉积到衬底表面.