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.     

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.     

高氮含量宝石级金刚石单晶的高温高压合成

氮是金刚石（包括天然金刚石和人工合成金刚石）中最普遍的杂质,长期以来广受研究者的关注. 人工合成出类似天然金刚石的具有较高氮含量的金刚石晶体是极富挑战性的研究课题. 本工作通过在合金溶剂和石墨碳源中添加含氮物质,利用温度梯度法在国产六面顶高压设备上合成出了系列大尺寸、高氮含量的宝石级金刚石单晶. 借助显微红外光谱,对合成的金刚石晶体中的氮含量进行了测定. 研究发现随着含氮物质添加量的提高晶体中氮含量基本呈线性增加. 最终合成出了氮含量高达1707 ppm的毫米级高氮含量金刚石单晶,以及最大尺寸达3.5 mm,氮含量达1520 ppm的绿色高氮宝石级金刚石单晶.     

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.     

高温高压金刚石单晶生长界面的研究

 利用扫描电镜及Auger电子谱技术研究了高温高压下金刚石单晶生长界面的特性，观察到了金刚石单晶表面及金属膜表面的沟槽结构及金刚石-金属、金属-石墨两个主界面间的过渡层结构及界面间C原子电子组态的变化。     

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.     

触媒组分对高温高压金刚石大单晶生长及裂纹缺陷的影响

本文利用六面顶压机,在5.6 GPa, 1250—1450℃的高压高温条件下,分别选用FeNiCo和NiMnCo触媒合金开展了金刚石大单晶的生长实验,系统地考察了触媒组分对金刚石单晶裂纹缺陷的影响.首先,通过对两种组分触媒晶体生长实验对比发现,金刚石大单晶裂纹缺陷出现的概率与触媒组分相关联.同NiMnCo触媒相比, FeNiCo触媒生长的金刚石单晶更容易出现生长裂纹.我们认为,这与FeNiCo触媒黏度高、流动性差、碳素输运能力差、生长中晶体比表面积大,进而导致其对生长条件稳定性的要求较高有关.其次,两种触媒极限增重速度和生长时间的关系曲线表明,相同生长时间条件下, NiMnCo触媒生长金刚石单晶的极限增重速度相对较大.再次,扫描电子显微镜测试结果表明,裂纹缺陷的出现与否同晶体表面平整度的高低无必然联系,表面平整度高的金刚石单晶内部也可能存在裂纹缺陷.最后,经对金刚石单晶傅里叶微区红外测试结果进行分析,得出了氮杂质含量的高低与金刚石单晶裂纹缺陷的出现与否无内在关联性的研究结论.     

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。     

籽晶{100}面形状对高温高压合成金刚石大单晶的影响

选用不同形状的{100}金刚石籽晶面,以NiMnCo合金为触媒,利用温度梯度法在压力为5.5 GPa、温度为1260～1300℃的条件下,合成Ib型金刚石大单晶。通过光学显微镜和电子显微镜对晶体的形貌进行表征。研究发现,将合成籽晶的{100}晶面切割成不同形状,只会令晶体的长宽比发生改变,晶体并不会因籽晶形状的改变而偏离{100}晶体的正常形貌。晶体的合成质量受到籽晶长宽比的影响:在籽晶长宽比较小的情况下,晶体的合成质量能够得到保证;但当籽晶长宽比过大时,合成晶体的下表面出现较多缺陷。关于籽晶形状对晶体生长情况影响的研究,揭示了籽晶形状与合成晶体形貌之间的关系,有利于更深入理解晶体的生长过程和外延生长机理,对于今后合成不同形貌的金刚石具有借鉴意义。同时此项研究有助于扩大籽晶的选取范围,降低籽晶的选择难度,提升工业级金刚石的利用率,为合成金刚石大单晶的籽晶选取提供了技术支持。     

Effects of Mg on diamond growth and properties in Fe–C system under high pressure and high temperature condition

Diamond crystal crystallized in Fe–Mg–C system with Archimedes buoyancy as a driving force is established under high pressure and high temperature conditions. The experimental results indicate that the addition of the Mg element results in the nitrogen concentration increasing from 87 ppm to 271 ppm in the diamond structure. The occurrence of the {100}plane reveals that the surface character is remarkably changed due to the addition of Mg. Micro-Raman spectra indicate that the half width of full maximum is in a range of 3.01 cm~(-1)–3.26 cm~(-1), implying an extremely good quality of diamond specimens in crystallization.     

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.     

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.     

High pressure studies on single crystals of zirconium sulphoselenides

Abstract

Electrical resistance measurements have been performed on ZrS₂, ZrSe₂, and ZrSSe single crystals grown by Iodine vapour transport technique in the pressure range 10 kilobar to 80 kilobar (1 GPa-8GPa). It is observed that all these crystals show a decrease in resistance with increase in pressure. The results have been discussed on the basis of energy band.     

开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

针对高热流密度激光介质高效散热与均匀冷却技术需求,设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台,实验研究获得了不同热流密度（16～110 W/cm²）、不同冷却工质流量（200～300 mL/min）以及不同喷雾高度（15～25 mm）下单相喷雾冷却换热系数及其冷却均匀性效果。结果表明：该实验工况下,不同热流密度条件下喷雾高度及工质流量对于单相喷雾冷却换热效率及温度均匀性影响显著;喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时获得最大对流换热系数为5.93 W/（cm²·K）;喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时面积20 mm×20 mm的热源表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。