用粉状技术合成高品级金刚石的研究

本文比较系统地介绍了合成高级金刚石的一种新方法.研究中采用粉状触媒和粉状石墨作为原料,在超高压、高温的条件下,经一定的工艺流程合成了高品级粗、细粒度金刚石,其各项技术指标达到了国内领先水平.用该方法合成金刚石的突出特点是粒级可控、粒度集中、单产高、连聚晶少、颜色黄、强度高.     

金刚石薄膜低压气相生长条件的理论预测

基于非平衡热力学耦合模型计算得到三元体系中生长金刚石的等温、等压及竖直截面相图.这些相图中的金刚石生长区的形状和大小随温度、压力及氧含量等条件的改变而变化.高温时,金刚石生长区变小直至消失;中等温度时生长区最大;低温时又变小.压力的升高促使金刚石生长区变大.氧的加入总是引起需要更多的碳并使金刚石生长区向温度降低的方向移动.     

热稳定性混合生长型聚晶金刚石研制

本文在分析国内外钻探用聚晶金刚石应用及性能基础上,研制开发耐高温界面生长型聚晶金刚石,采用0.05钴片或钴铁片(5;铁)扩散工艺,对工艺组装制备及合成工艺条件进行详细分析论证,建立一种界面生长型聚晶金刚石合成工艺,由于采用强酸处理方法去除残余金属钴存在处理不彻底及对性能影响大缺陷,通过分析国内外聚晶热稳定性基础上,得出生长型聚晶晶间结构即Co存在状态是提高热稳定性关键,通过降低进入聚晶金属Co含量和改变晶间物相及组成,即主要是改变金属Co存在状态,加入适量金属Ti、W,在扩散生长同时生成新的固溶体-硬质合金,即TiC-Co、 WC-TiC-Co固溶体,从而改变聚晶显微组织中残留Co存在状态,并对样品进行电镜扫描、电子探针分析、转靶X射线衍射分析等分析,研究证明其结构基本是D-D键结合的高晶体,晶粒金刚石之间是D-D键错综连接形成多孔网状结构,产品具有高自锐性和热稳定性,热稳定达到1473K.最后对生长机理进行初步分析,并提出界面生长机理.     

FeMn粉末触媒制备及金刚石合成条件的研究

利用气雾化法制备了FeMnX1、FeMnX2NiY2、FeMnX2CoY2(X1=X2+Y2,X2＞Y2,0＜Y2≤10)粉末触媒.利用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪对粉末进行了表征.分析表明:制备的粉末大多为球形颗粒,D50约为23.6 μm,晶格常数约为0.36108 nm;按触媒与石墨粉的比例为4: 6制备合成柱并进行了合成实验,结果表明用FeMn基粉末触媒合成金刚石的温度、压力均要高于使用FeNi30触媒,在5.4～5.6 GPa压力、温度高于1450 ℃时才可以合成出金刚石,添加Y2;的Ni或Co元素后合成温度和压力稍微降低,且金刚石形核量有所增加.此外,利用晶体的价电子结构和界面电子密度连续理论分析了不同的M3C型碳化物对合成条件的影响,解释了FeMn基触媒合成金刚石条件高于FeNi触媒的原因.     

合成CVD金刚石涂层用硬质合金基体预处理工艺优化研究

以CH3COCH3和H2为反应气源,采用热丝CVD法在经过两步法和三步法预处理的YG6硬质合金(WC-6wt;Co)基体上沉积金刚石涂层.利用扫描电子显微镜和能谱仪分析检测预处理后的YG6基体的表面形貌和钴含量,通过对比三步法与两步法的预处理结果确定三步法最佳工艺.利用扫描电镜、X射线衍射仪和硬度计检测所得金刚石涂层的表面形貌、结晶性和膜基结合性.结果表明:三步法最佳工艺为先采用酸溶液腐蚀20 s,然后采用碱溶液腐蚀20 min,最后继续用酸溶液腐蚀3 min.三步法预处理后的YG6基体获得的金刚石薄膜生长更加均匀致密,晶粒取向更高,膜基结合性能更好.     

用不同粒度的籽晶生长优质宝石级金刚石单晶

利用温度梯度法生长宝石级金刚石单晶过程中,由于籽晶接收碳源能力有限,单一晶种将很难完全吸收扩散下来的碳源,因而导致籽晶的粒度对晶体生长速度和品质都会产生很大影响.随着籽晶粒度的增大,晶体的生长速度增幅非常明显,但不是粒度越大越好,存在临界粒度,超过临界粒度,优质单晶就很难生长.以NiMnCo触媒为例,籽晶粒度由0.5mm增加到2.0mm后,晶体的生长速度可由1.0mg/h提高到3.0mg/h,但籽晶粒度超过2mm后,晶体内部包裹体大幅度增加.     

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.     

高品质光学级单面生长石英晶体的生长技术研究

采用水热温差法,研发了一种高品质光学级单面生长石英晶体技术,分析了光学级石英晶体单面生长原理和关键技术,并对所制备的光学级单面生长石英晶体的性能进行了测试与表征.研究结果表明:采用单面生长技术能极大地减少石英晶体内部缺陷,制备出的石英晶体具有极高的品质,其中包裹体指标、条纹指标达和光学均匀性分别达到国家标准GB/T7895-2008中的Ia级、1级和A级,达到了目前国家标准中的顶尖水平.     

探测器级单晶金刚石材料的生长

采用高质量高温高压单晶金刚石衬底,通过等离子体环境净化的方法获得高纯、低缺陷密度金刚石材料,有望应用于医疗、核、宇宙射线等辐射探测器.采用微波化学气相沉积方法成功外延生长出了8 mm×8 mm的高质量单晶金刚石材料.晶体内无明显的应力集中区,X射线摇摆曲线(004)峰半高宽0.008°,PL光谱中未见与氮相关杂质,基于电子顺磁共振测试孤氮杂质含量为23ppb.     

MPCVD单晶金刚石生长及其电子器件研究进展

本综述分析了微波等离子化学气相沉积(MPCVD)单晶金刚石生长及其电子器件近年来的研究进展,并对其进行展望.详细介绍了金刚石宽禁带半导体特性、生长原理、生长设备、衬底处理.研究了影响MPCVD单晶金刚石生长的关键因素,为获得最优生长条件提供指导.分析了横向外延、拼接生长、三维生长等关键性生长技术,逐步提高单晶金刚石的质量和面积.在金刚石掺杂的研究中,详细介绍了n型和p型掺杂的研究进展.通过对金刚石肖特基二极管、氢终端金刚石场效应晶体管、紫外探测器的研究,展现了金刚石在电子器件领域的成果和进展.最后总结了MPCVD单晶金刚石生长及其电子应用过程中面临的挑战,展望了金刚石在电子器件领域的巨大应用前景.     

对触媒熔剂法金刚石生长的再认识(Ⅰ)——金刚石晶体生长的准稳定区

本文根据溶液晶体生长理论与实践,认定在金刚石结晶V形区域内存在着晶体生长准稳定区.熔剂-碳二元共熔体系处于准稳定的过饱和溶液中,准稳定的过饱和度是金刚石晶体生长的驱动力.提出了设计合理的加热组装结构、建立金刚石生长适宜压力场、温度场的必要条件,以保证在准稳定的过压度驱动下生长出晶形完整的优质金刚石.     

金刚石/金属触媒界面表征及金刚石生长的热力学分析

利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和X射线能谱仪(EDS)研究了高温高压触媒法合成金刚石后金刚石/触媒界面的物相组成,发现铁镍元素与碳元素的原子比为3.1: 1,并分析得出高温高压下界面中存在Fe3C、Ni3C物相结构.据此,利用热力学中经典的ΔG<0判定法,计算Me3C(Me:Fe,Ni)物相分解出金刚石的自由能变化.结果表明:在触媒法合成金刚石条件下(1500～1700 K、5～6 GPa),Me3CC(金刚石)+3Me比石墨金刚石的ΔG更负.因此,从热力学角度看,Me3C的形成,尤其是铁基触媒中Fe3C、Ni3C的形成,说明触媒法合成金刚石单晶是来自于Me3C型碳化物的分解,而并非石墨结构的直接转变.     

大尺寸优质TGG晶体的自动提拉法生长

采用液相法合成原料,通过自动提拉法在铱坩埚中成功地生长出直径为35 ～40 mm,长度为40 ～ 50 mm的大尺寸优质TGG晶体.该晶体外观笔直,内部光滑透明,没有螺旋纹,没有界面反转.经氦氖激光器检测证明该晶体具有无散射、无核心、不开裂的优点,经X射线粉末衍射证明晶体和底料均为TGG相,没有其它物相产生,且光学性能方面吸收值低,损伤阈值高.     

高温高压金刚石衬底上的同质外延生长研究

在自主研发的小功率微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置上利用高温高压(HPHT)单晶金刚石片为衬底进行了金刚石同质外延生长的研究.研究了甲烷浓度、工作气压对金刚石生长速率的影响.测量了金刚石外延 生长过程中等离子体的发射光谱,利用扫描电子显微镜(SEM)和数码相机对生长前后金刚石的形貌进行了表征,利用激光拉曼光谱对金刚石的质量进行了分析.结果表明:一定程度内,适当升高工作气压和甲烷浓度能够有效提高金刚石的生长速率;在外延生长过程会产生过多的丘状体,导致许多金刚石颗粒的产生,影响其生长时间和质量,通过生长、刻蚀相结合的方法能够有效延长生长时间,改善生长形貌;外延生长出的金刚石的激光拉曼图谱中金刚石1332 cm-1特征峰明显、尖锐,荧光背底低,非金刚石相特征峰较低.     

MPCVD生长单晶金刚石及发射光谱分析

在微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)生长单晶金刚石过程中,测量了近衬底附近等离子体发射光谱(OES),研究了甲烷浓度对等离子体中基团谱峰强度的影响,分析了等离子体中基团谱峰相对强度与金刚石生长速率、质量的关系.利用激光拉曼光谱(Raman)和扫描电镜(SEM)对生长之后的单晶金刚石进行表征.结果表明:随着甲烷浓度的提高,Hα基团谱峰几乎不变,C2、Hβ、Hγ和CH基团谱峰强度均增加,而C2基团增加显著.同时,基团谱峰相对强度比值I(Hγ)/I(Hβ)、I(C2)/I(CH)和I(C2)/I(Hα)也都随着甲烷浓度的提高而增加.I(C2)/I(CH)比值的升高不利于单晶金刚石的生长.生长速率测试表明,单晶金刚石的生长速率随I(C2)/I(Hα)比值的增大而增加,当I(C2)/I(Hα)小于0.35时,生长速率呈现指数快速增加,超过这个值之后,增长趋势变缓,生长速率呈线性增加.