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。     

氮氢共掺杂金刚石中氢的典型红外特征峰的表征

所有天然Ia型金刚石红外光谱中都存在3107 cm-1特征峰,而在金属触媒直接合成的金刚石红外光谱中没有检测出3107 cm-1特征峰.本文在6.3 GPa,1500?C条件下,通过Fe70Ni30触媒中添加P3N5直接合成出具有3107 cm-1特征峰的氮氢共掺杂的金刚石.红外光谱分析表明,合成的金刚石中氢有两种存在形式:一种对应着乙烯基团C=CH2中C—H键的伸缩振动(3107 cm-1)和弯曲振动(1450 cm-1)的吸收峰,另一种对应着sp3杂化C—H键的对称伸缩振动(2850 cm-1)和反对称伸缩振动(2920 cm-1)的吸收峰.通过分析发现,3107 cm-1吸收峰与金刚石中聚集态的氮原子有关,当金刚石中没有聚集态的氮元素时,即使氮含量高也不会出现3107 cm-1峰;并且2850和2920 cm-1附近的吸收峰比3107 cm-1附近的吸收峰更为普遍存在.这说明sp3杂化C—H键比乙烯基团的C—H键更广泛存在于金刚石中,从两者的峰值看,天然金刚石中的氢杂质主要以乙烯基团C=CH2存在.3107 cm-1吸收峰与聚集态的氮原子的这种存在关系为天然金刚石形成机制的研究提供了一种新思路,同时较低的合成条件也可能为氢与其他元素共掺杂合成具有n型半导体特性的金刚石提供一个较理想的合成环境.     

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。     

物理气相传输法合成AlN单晶性能表征

采用物理气相传输(PVT)法通过同质外延生长获得14 mm×12 mm的AlN单晶样品。对样品进行切割、研磨、化学机械抛光处理后，采用拉曼光谱仪、高分辨X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、光致发光光谱仪对样品进行测试表征。拉曼测试结果表明，晶体中心区域的拉曼光谱E₂(high)声子模的半峰全宽为3.3 cm^-1,边缘区域E₂(high)声子模的半峰全宽为4.3 cm^-1,晶体呈现较高的结晶质量。XRD摇摆曲线表征结果显示，外延生长后的晶体中心和边缘区域的摇摆曲线半峰全宽增大至100″和205″,表明晶体内存在缺陷。XPS测试结果表明，晶体内存在C、O、Si杂质元素，杂质的原子数分数分别为0.74%、1.43%、2.14%,晶体内发现以氧杂质为主的Al—O、N—Al—O等特征峰。光致发光光谱测试结果显示，晶体内存在V_Al-O_N复合缺陷和V_Al点缺陷。     

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.     

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.     

Growth and annealing study of hydrogen-doped single diamond crystals under high pressure and high temperature

A series of diamond crystals doped with hydrogen is successfully synthesized using LiH as the hydrogen source in a catalyst-carbon system at a pressure of 6.0 GPa and temperature ranging from 1255 C to 1350 C.It is shown that the high temperature plays a key role in the incorporation of hydrogen atoms during diamond crystallization.Fourier transform infrared micro-spectroscopy reveals that most of the hydrogen atoms in the synthesized diamond are incorporated into the crystal structure as sp 3-CH 2-symmetric(2850 cm-1) and sp 3 CH 2-antisymmetric vibrations(2920 cm-1).The intensities of these peaks increase gradually with an increase in the content of the hydrogen source in the catalyst.The incorporation of hydrogen impurity leads to a significant shift towards higher frequencies of the Raman peak from 1332.06 cm-1 to 1333.05 cm-1 and gives rise to some compressive stress in the diamond crystal lattice.Furthermore,hydrogen to carbon bonds are evident in the annealed diamond,indicating that the bonds that remain throughout the annealing process and the vibration frequencies centred at 2850 and 2920 cm-1 have no observable shift.Therefore,we suggest that the sp 3 C-H bond is rather stable in diamond crystals.     

6.0GPa下NaAlSi2O6翡翠的合成与表征

通过模拟天然翡翠的形成机理,对高温高压技术和玻璃料制取工艺的优化,以Na2SiO3·9H2O和Al2(SiO3)3为原料并添加少量致色剂CrO3,在超高压6.0 GPa下实现玻璃料由非晶态向晶态转化.通过XRD、FTIR和SEM等方法对样品进行表征,实验结果表明:6.0 GPa、1530℃条件下合成样品呈现翠绿色,质地温润,具有较高的润度和透明度;样品主要成分为NaAlSi2 O6,结晶度较高,分子结构为硅氧四面体结构,晶粒细密,致密有序;合成翡翠的硬度和密度等常规宝玉石参数也与天然翡翠接近,我们的研究对于探究翡翠在超高压下形成提供了数据参考.     

锌添加对大尺寸金刚石生长的影响

利用温度梯度法,在6.2—6.4 GPa,1270—1400℃条件下,通过在NiMnCo-C体系中添加不同比例的锌粉成功合成出3 mm左右的大尺寸金刚石单晶.研究了锌添加对金刚石颜色、形貌、内部氮杂质以及晶体结晶度的影响.结果表明:随着锌添加量逐渐增加,晶体的颜色逐渐变浅,晶体的透光性增强;当锌添加比例达到3 wt.%时,晶体表面出现大量不规则的凹坑;晶体内氮杂质主要以C心形式存在,随着锌添加量的增多晶体内氮含量逐渐降低,基于锌的除氮能力总结出两种可能的除氮机制;拉曼光谱测试结果表明,在锌添加量小于3.0 wt.%的研究范围内,锌的添加有利于提高晶体的结晶度.本研究不仅有助于天然金刚石形成机制的探究,而且对丰富金刚石的种类以及扩展人工合成金刚石的应用领域都有着重要意义.     

高热导率Si3N4陶瓷的高压合成及性能研究

在高温高压条件下(HPHT,4 ～5 GPa,1430 ～1530℃),采用高压烧结技术,利用Y2O3、MgO作为烧结助剂,通过和不同质量配比的氮化硅(a-Si3N4,β-Si3N4)粉体复合,制备了具有高热导率和高致密性的Si3N4陶瓷.本实验采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱EDS、热导率测定仪、维氏硬度计对样品进行了分析和表征,研究了压强、烧结温度、保温时间对热导率和致密性的影响.结果 表明:超高压条件有效降低了烧结温度,缩短了烧结时间.当烧结条件在5 GPa,1490℃,1h时,其硬度为16.5 GPa,此时β-Si3N4复合陶瓷的致密化最优,气孔率(0.26;)和晶格缺陷显著改善.研究发现适当的延长烧结时间可以促进晶粒正常长大,同时产生较高的热导率,最高可达到64.6W/(m· K).