以磷化铁为添加剂沿(111)面生长磷掺杂金刚石大单晶

掺杂是调控金刚石性能的一种重要手段。本文采用温度梯度法,在5.6 GPa、1 312 ℃的条件下,选用Fe₃P作为磷源进行磷掺杂金刚石大单晶的合成。金刚石样品的显微光学照片表明,随着Fe₃P添加比例的增加,金刚石晶体的颜色逐渐变深,包裹体数量逐渐增加,晶形由板状转变为塔状直至骸晶。金刚石晶形的变化表明Fe₃P的添加使生长金刚石的V形区向右偏移,这是Fe₃P改变触媒特性的缘故。红外光谱分析表明,Fe₃P的添加使金刚石晶体中氮含量上升,这说明磷的进入诱使氮原子更容易进入金刚石晶格中。激光拉曼光谱测试表明,随着Fe₃P添加比例的增加,所合成的掺磷金刚石的拉曼峰位变化不大,其半峰全宽(FWHM)值变大,这说明磷的进入使得金刚石晶格畸变增加。XPS测试结果显示,随着Fe₃P添加比例的增加,金刚石晶体中磷相对碳的原子百分含量也会增加,这意味着添加Fe₃P所合成的金刚石晶体中有磷存在。     

FeNi、NiMnCo及其复合触媒中Ⅰb型金刚石的生长特性

本文以Ni₇₀Mn₂₅Co₅和Fe₆₄Ni₃₆合金及其复合合金作为触媒,采用高温高压温度梯度法在5.6 GPa压力下,对不同温度下沿(100)晶面生长的Ⅰb型金刚石的生长特性进行了研究,研究表明:以Fe₆₄Ni₃₆触媒合成出的金刚石在以(111)晶面为主的晶形高温生长范围内出现了一段约50 K范围的裂晶生长区,而以Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒合成的金刚石在生长温度范围内,特别是在以(111)晶面为主的晶体生长高温区域内容易出现连晶缺陷;高温下Fe₆₄Ni₃₆触媒过度熔融可能是晶体容易产生裂晶的原因,Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒熔体黏性较低可能是容易形成连晶的原因;采用两种触媒复合的方式有效避免了裂晶和连晶的产生;拉曼光谱表征发现连晶的晶体内部质量与单晶的晶体质量相近,裂晶中晶格畸变和杂质较多,晶体内应力较大,复合触媒体系合成的金刚石晶体内应力小,质量好。     

在FeNi-C-FeS-B体系内宝石级金刚石单晶的高温高压合成研究

本研究利用高温高压温度梯度法,在5.4 GPa、1550 K生长条件下,考察了FeNi-C体系中单掺FeS以及FeS-B共掺杂对单晶生长宝石级金刚石品质的影响.结果表明:在单掺FeS体系中,随着FeS的增加,晶体的质量以及透明度逐渐下降,(100)晶面存在的倒方形蚀坑面积逐渐增大,同时晶体的颜色也由黄色转变成灰黑色;在共掺杂体系中,当添加剂FeS含量一定时,随着协同添加剂B的增加,晶体品质呈现出先优化后劣化的变化趋势,晶面上蚀坑的分布逐渐由(100)晶面向(111)转移,晶体颜色也由灰黑色逐渐变浅到黄色、再到B单独发生作用时导致的蓝黑色.XRD光谱分析发现,在FeNi-C-FeS-B体系中出现了某种或者某些不明物质.     

铁镍触媒合成的金刚石中包裹体的探讨

在FeNi+C体系中合成了具有六面体、六八面体、八面体形状的金刚石单晶,晶形完整,包裹体较少.其中,六面体和八面体金刚石内部的包裹体呈辐射状分布,主要分布在从晶体几何中心到顶角的连线上;六八面体内部没有包裹体呈辐射状分布的情况.我们认为,FeNi+C体系合成金刚石,其包裹体的形成在一定程度上源于不同晶向的生长速度差异,当晶体沿某晶向生长速度过快时,杂质元素不能完全及时地排除,在降温时形成了包裹体.Mossbauer测试结果表明金刚石中包裹体的主要成分为Fe3C和FeNi合金.     

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。     

CH4NS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FeNi-C体系中添加硫脲(CH4N2S),利用温度梯度法成功合成了掺杂CH4 N2S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CH4N2S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CH4N2S添加量的增加逐渐消失.当合成体系中添加2 mg的CH4N2S时,以(111)面为生长面所合成的金刚石晶体中同时含有NV0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CH4N2S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.     

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.     

NiMnCo粉末触媒合成金刚石特征的研究

本文采用扫描电子显微镜(SEM)、图象分析仪和金刚石性能测试仪分别对粉末状和片状NiMnCo触媒合成的金刚石形貌、(111)、(100)结晶面的微形貌、包裹体分布及其力学性能进行分析.研究结果表明:与片状触媒合成的金刚石相比,NiMnCo粉末触媒合成的金刚石呈典型的六-八面体,晶型完整率高;(111)、(100)结晶面完整无缺陷,透明度高、包裹体少且细小分散.因此,NiMnCo粉末触媒合成的金刚石具有较高的静压强度和热稳定性.     

钙长石晶体的形成机制研究

以分析纯碳酸钙、氧化硅和氧化铝为原料,通过烧结法制备钙长石晶体,研究了煅烧温度和保温时间对钙长石晶相、微观形貌的影响.结果表明:硅灰石和钙铝黄长石是钙长石合成过程的中间产物,随着煅烧温度的升高试样内部形成大量液相,液相的形成及饱和析晶是钙长石形成的主要机制.板状钙长石晶体可以在1400℃的煅烧温度下保温一定的时间(2～8 h)获得,且保温时间越长,钙长石晶体的析出程度越大,晶粒尺寸也越大.     

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.     

4H-SiC晶体表面形貌和多型结构变化研究

利用光学显微镜、显微拉曼光谱仪研究了4H-SiC晶体表面形貌和多型分布.显微镜观察结果显示4H-SiC小面生长螺蜷线呈圆形,沿<11(2-)0>方向容易出现裂缝.裂缝两侧有不同的生长形貌.拉曼光谱结果显示缺陷两侧为不同的晶型,裂缝实际为晶型转化的标志.纵切片观察发现,在4H-SiC和15R-SiC多型交界处产生平行于<11(2-)0>方向裂缝;15R-SiC多型一旦出现,其径向生长方向平行于<11(2-)0>方向,轴向生长方向平行于<000(1-)>方向.     

激光晶体Nd3+:Gd3Ga5O12中的核心和小面生长

Nd3+:Gd3Ga5O12(Nd:GGG)晶体是热容固体激光器的一种重要的工作介质.采用提拉法沿〈111〉方向生长出了Nd:GGG单晶,利用激光器、应力仪和偏光显微镜等仪器和方法,对晶体的小面生长及核心等缺陷进行了观察,分析了小面生长的机理,并提出了消除这些缺陷的办法.通过研究,为改善生长工艺、生长大尺寸优质Nd:GGG晶体提供参考.     

高温扩散法制备B-S共掺杂单晶金刚石

利用高纯度的硼粉和硫粉，在1 300℃的高温真空环境下，通过扩散装置制备出硼(B)、硫(S)共掺杂单晶金刚石。扫描电子显微镜、X射线能谱、拉曼光谱等测试结果表明，随着两种元素的掺入，金刚石的形貌和晶体质量发生变化。掺杂后的金刚石形貌复杂，蚀坑和沟壑内部形貌呈阶梯状，随着掺杂量的增加出现断层，并在蚀坑处检测出较高的硼原子和硫原子含量，掺杂B-S质量比为0.5的金刚石蚀坑处的硼原子和硫原子含量最高。随着杂质原子的渗入，拉曼半峰全宽值增大，金刚石的晶体质量下降。室温下进行霍尔检测结果表明，掺杂后的金刚石电阻率降低。B-S质量比为1和2的样品导电类型表现为p型；B-S质量比为0.5时，样品的霍尔系数为负值，导电类型为n型。     

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.     

负离子配位多面体生长基元的理论模型与晶粒形貌

本文介绍了一种新的形貌判定准则--配位多面体生长习性法则.首先在负离子配位多面体生长基元模型的基础上建立了晶体的生长机理模型和界面模型,在此基础上提出了晶体形貌判定法则.即晶体的各晶面的生长速度与其结构中的配位多面体在界面上显露的元素种类有关.显露配位多面体顶点的晶面生长速度快,显露面的晶面生长速度慢,显露棱的晶面生长速度介于两者之间.此外,晶体的各晶面的生长速度还与配位多面体在界面上显露的元素数目有关.显露配位多面体元素数目多的晶面生长速度快.根据此法则成功地解释了γ-AlO(OH)晶体和极性晶体ZnO,SiO2的形貌特征.最后,本文还提出了两种晶体形貌的调制方法,即添加剂调制法和过饱和度调制法.成功地调制了ZnO晶体的形貌.     

高温高压硼掺杂金刚石辐照缺陷的生长晶面依赖性研究

硼是金刚石中最常见的受主元素之一,其在价带之上0.37 eV处形成了浅能级,因此硼掺杂金刚石被认为是一种理想的p型半导体材料.在化学气相沉积法制备的硼掺杂金刚石中,硼杂质在晶体中的分布非常不均匀,其拉曼信号强度对测试位置的依赖性非常强,且可重复性很差.而对于高温高压法合成的硼掺杂金刚石来说,同一晶面上硼杂质分布变化较小.本文利用低温光致发光光谱研究了高温高压法合成的硼掺杂金刚石辐照缺陷的光致发光性质,并利用晶体生长理论讨论了辐照缺陷在不同晶面上的分布情况.     

掺杂对磷酸钛氧钾单晶拉曼光谱的影响

本文研究了掺金属元素Ce和Nb的磷酸钛氧钾(KTiOPO4,简称KTP)晶体在不同几何配置下的拉曼光散射.讨论了掺杂对KTP拉曼光谱的影响.拉曼光谱大的散射强度说明晶体有大的非线性光学特性.从掺铈和掺铌KTP中氧八面体和氧四面体相对于KTP的频率位移可知,稀土金属离子Ce比Nb离子对KTP拉曼光谱的影响更大.     

对Fe-Ni-B催化剂合成的金刚石中含硼包裹物的研究

本文以自制的Fe基含硼合金作催化剂,石墨片作碳源,压力和温度分别为5.3GPa和1570K条件下,在六面顶压机上合成了0.6mm左右的含硼金刚石晶体.利用X射线衍射仪(XRD)分析了金刚石晶体的结构,证明金刚石是六方结构的.在光学显微镜下观察了金刚石的晶形,利用透射电子显微镜(TEM)和能谱仪(EDS)对金刚石晶体进行了微观分析,发现了多种含硼包裹物,包括(Fe,Ni)23(C,B)6,(Fe,Ni)3(C,B),(Fe,Ni)B,(Fe,Ni)2B,Ni3B,B4C等.研究了它们的化学组成与微观结构,并分析了含硼包裹物的来源与形成过程.结合金刚石的生长过程分析认为,合金触媒是金刚石中包裹物元素的主要来源,通过调整触媒的成份和含量可以控制金刚石内杂质元素的种类.硼元素在金刚石中既可以以化合物的形式存在,也可以替代碳原子存在于金刚石内.     

温度梯度法BaY2F8晶体生长中的小面研究

采用温度梯度法生长了BaY2F8晶体,通过X射线定向仪确定晶体自发沿[001]方向生长.通过对不同截面的显微观察和分析,研究认为生长方向与竖直方向不平行是诱发(100)、(130)、(130)等小面生长的重要因素.由于温度的波动和径向温度梯度的存在,会造成晶体生长过程中的组分过冷,引发晶面上出现胞状凸起,影响了晶体的生长质量.     

氩气浓度对氮掺杂金刚石膜的影响

采用直流热阴极等离子体化学气相沉积(DC-PCVD)方法,以三聚氰胺(C3H6N6)的甲醇(CH3OH)饱和溶液为掺杂源,通过改变反应气氛中的Ar浓度,在P型Si(111)基片上沉积了氮掺杂纳米金刚石膜.采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、霍尔测试系统等分析了不同Ar浓度对氮掺杂金刚石膜生长特性的影响.结果表明:随着Ar浓度的增加,膜的晶粒尺寸逐渐减小,表面变得光滑平整;由拉曼G峰漂移引起的压应力先减小后增大;膜的导电性能变好.且由于C3H6N6的引入,使得在较低的Ar浓度下(H2/Ar流量比为100/100时),即可制得晶粒尺寸在30 ～ 50 nm的高质量的金刚石膜样品,远低于H2/Ar体系的Ar浓度为90;的阈值.