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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

快速合成立方六面体金刚石大单晶晶体的质量研究

利用高温高压温度梯度法,在优质六面体金刚石大单晶稳定生长的基础上,合理调整晶床高度为5 rmm,在1300～1350℃温度区域30h合成优质六面体晶体重量达2.04克拉,生长速度高达13.6 mg/h.三种晶体样品(本实验合成晶体,日本住友公司合成晶体,元素六公司合成晶体)经显微红外吸收(IR)测试,本实验合成晶体{100}晶面的平均氮含量为240 ppm,高于日本住友和元素六晶体样品的氮含量;三种晶体样品经激光拉曼测试,均在1332 cm-1左右出现了较强的金刚石拉曼标准峰,利用高斯模拟计算出本实验合成晶体拉曼峰的半高宽值为5.570cm-1,大于日本住友晶体样品而小于元素六合成的晶体样品;对三种晶体样品的生长速度、氮含量分布和晶格结晶程度分析,由于本实验合成六面体晶体的生长速度远大于二者,使晶体的晶格结晶程度稍差于日本住友样品而优于元素六晶体,结合激光拉曼图谱分析本实验合成的六面体晶体中有少量杂质存在,或许这些杂质的存在正是导致其{100}晶面氮含量高于日本住友样品氮含量的主要原因.     

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.     

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。     

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.     

优质立方六面体金刚石大单晶的生长研究

高温高压静压触媒法合成的金刚石单晶,往往呈现六八面体形貌,因为立方六面体单晶{100}面的生长区间相对较小.本研究利用高温高压温度梯度法,自制Fe-Ni合金触媒,通过对合成组装和工艺进行合理调整后,控制晶体在相对低温适合{100}面生长区域内生长,得到的晶体均呈现完整立方六面体形貌;同时为抑制包裹体和其他杂质的进入,人为的提高晶体的径向平铺生长速度,抑制其轴向生长速度.以在33 h内合成的优质立方六面体晶体为例,晶体最大方向尺寸达到7.3 mm,重1.2克拉,其径向生长速度达到0.22 mm/h,轴向生长速度仅为0.08 mm/h,增重速度为7.3 mg/h.     

碳酸钙掺杂对Ⅰb型金刚石沿不同晶面生长行为的影响

作为天然金刚石生长环境的碳酸盐,研究其掺杂对人造金刚石晶体生长行为的影响具有重要的学术价值。本文运用高温高压下的温度梯度法,将碳酸钙(CaCO₃)按照不同比例掺杂到金刚石合成腔体内的碳源中,用以研究其掺杂对金刚石分别沿(100)或(111)晶面生长行为的影响。利用光学显微成像对掺杂合成金刚石晶体形貌的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)面生长的金刚石晶形由塔状变为板状且出现了裂晶、连晶现象,晶体颜色先变浅再变黑,内部出现了包裹体;同样,沿(111)面生长的金刚石晶形由板状逐渐变为塔状且出现了裂晶、孪晶现象,晶体颜色逐渐变黑,内部包裹体增多。用激光拉曼光谱对掺杂金刚石晶体质量的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)或(111)面生长的掺杂金刚石的拉曼峰位偏移量均增大,半峰全宽均变大。这说明碳酸钙掺杂使得金刚石晶格畸变增加、内应力变大。本文对碳酸钙掺杂影响沿两不同面生长金刚石的晶形、颜色、内部质量等行为的成因进行了分析,为本课题后续研究奠定了基础。     

Synthesis and characterization of strip-shape diamonds from Fe-based alloy and graphite system under high pressure and high temperature

The unusual strip-shape diamond crystals were successfully synthesized in the system of Fe-based powder alloy and graphite under pressures of 5.6–5.8 GPa and temperatures of 1600–1650 K in a cubic anvil high pressure high temperature (HPHT) apparatus (SPD-6×1200). The synthetic diamond crystals have a strip-shape with light green color. The lengths of the crystals are 0.6–0.8 mm with length to diameter ratios around 2.0–2.5. SEM photographs reveal that the crystals have two main kinds of shapes: one elongated along the (1 0 0) and the other along the (1 1 1) directions. The FTIR spectra of the diamond synthesized indicate that its nitrogen concentration is higher than the normal diamond crystal.     

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.     

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.     

加氮对直流电弧等离子体喷射金刚石膜生长、形貌和质量的影响

利用直流等离子体喷射化学气相沉积法制备掺氮的金刚石厚膜.本文研究了在甲烷/氩气/氢气中加入氮气对金刚石膜生长、形貌和质量的影响.反应气体的比例由质量流量计控制,在固定氢气(5000sccm)、氩气(3000sccm)、甲烷(100sccm)流量的情况下改变氮气的流量,即反应气体中氮原子和碳原子的变化比例(N/ C比)范围是从0.06到0.68.同时金刚石膜在固定的腔体压力(4kPa)和衬底温度(800℃)下生长.金刚石膜用扫描电镜(SEM)、拉曼谱和X射线衍射表征.结果表明,氮气在反应气体中的大量加入对直流等离子体喷射制备金刚石膜的形貌、生长速率、晶体取向、成核密度等有非常显著的影响.     

高温高压生长宝石级金刚石单晶的表面特征研究

本文利用高温高压温度梯度法,NiMnCo合金作为触媒,分别采用籽晶{100}和{111}作为生长面,合成了Ib型宝石级金刚石单晶,对其表面特征进行了分析和讨论.结果发现,宝石级金刚石单晶的表面特征不具有唯一性,多数情况下,晶体{111}面明显较{100}面平整,而且{100}面生长台阶的棱角不清晰,经常会出现经触媒融融过的痕迹,并且这种现象的出现跟籽晶生长面不同和合成温度条件高低无关;{111}面有时也会出现明显的生长台阶,棱角清晰,并且形状较为规则.宝石级金刚石晶体表面特征的不唯一性说明晶体表面特征对生长条件稳定性有更高的要求.