Li3N-hBN体系中引入调节剂对合成cBN的影响

引入调节剂是一种改善立方氮化硼生长环境的重要手段. 本文中,我们研究了在Li3NhBN体系中引入调节剂对合成立方氮化硼的影响. 研究发现,调节剂的引入对立方氮化硼成核有明显的影响,并且通过光学显微镜可以明显发现调节剂曾有溶融的迹象,认为是调节剂在高温高压下发生溶解,改变了立方氮化硼生长溶液的性质,为立方氮化硼的生长提供了良好的生长环境,改变了立方氮化硼的生长速度,使晶体形貌得到了明显的改善. 通过电镜分析,发现调节剂含量的不同给晶体带来了不同的缺陷.     

Ca3B2N4-hBN系中立方氮化硼的膜生长机制

 以Ca₃B₂N₄为触媒,在高温高压下对六角氮化硼进行处理,在六角氮化硼与触媒的交界处得到了被金属膜包覆的立方氮化硼晶体。这表明六角氮化硼到立方氮化硼的转变与人造金刚石的膜生长机制类似：立方氮化硼晶体在触媒与六角氮化硼接触处择优成核,在生长着的立方氮化硼与六角氮化硼之间存在着金属薄膜,该膜对立方氮化硼“基元”有输运作用。随着该金属膜向六角氮化硼区的推进,在其后留下生长的立方氮化硼晶体。     

不同颜色立方氮化硼的合成及耐热性的研究

 本文分别以金属镁粉、氮化镁以及镁粉与氮化镁粉的混合物为触媒，以六角氮化硼粉（96%~98%含量）为原料，在高温高压下合成了颜色较纯正的黑色、橘黄色及白色立方氮化硼晶体。对上述三种不同颜色的立方氮化硼晶体进行了TG-DTA分析及高温氧化实验，并讨论了立方氮化硼晶体的耐热机制。     

高温高压下立方氮化硼的合成

用Mg和Mg₃N₂作触媒,以LiH作添加剂,在55—64千巴及1700—2100℃的高温高压下,进行了由六方氮化硼到立方氮化硼的合成。对合成晶体作了结构与有关性能的鉴定和测试。晶体表面上杂质、缺陷、生长中心和台阶结构的显微观察表明,高温高压下合成的立方氮化硼晶体具有通常条件下晶体生长的一般特征。对密切依赖于温度、压力状况及触媒组装的合成结果进行了分析和讨论。文中特别报道了触媒中少量LiH的加入对提高晶体粒度和质量的显著效果,其中获得了1毫米以上的大颗粒立方氮化硼晶体。     

MgO在Mg-hBN体系中对合成cBN晶体的影响

 以金属镁粉为触媒，以六角氮化硼为原料，其中加入适量比例的氧化镁，在国产六面顶压机上，在约5.0 GPa压力、1 500～1 800 K温度条件下，合成出了颜色均匀、晶形完整的黄色立方氮化硼单晶体。实验结果表明，在Mg-hBN体系中，氧化镁对合成cBN晶体的颜色及合成温度有很大的影响。     

用不同合成体系制备黑色立方氮化硼的研究

 立方氮化硼（cBN）晶体随颜色的加深,晶体的晶形越完整,晶体尺寸也越大。采用Mg+hBN、LiH+hBN、Li₃N+hBN+B和B+Li₃N 4种体系分别合成出了黑色的立方氮化硼晶体。通过光学显微镜、X射线衍射、拉曼光谱等测试分析手段,从合成条件、晶体形貌、颗粒度及残余应力等方面对不同体系合成出的黑色cBN晶体作了比较。结果表明,不同体系的合成效果有很大差别。在实际应用中应该根据需要采用不同的体系,以达到最优化合成目的。     

立方氮化硼薄膜生长过程中的界面控制

在立方氮化硼薄膜气相生长过程中生成的无定形初期层和乱层结构氮化硼中间层，一直是阻碍立方氮化硼薄膜外延生长的主要原因.系统地分析了硅衬底预处理对立方氮化硼薄膜中无定形初期层成分的影响，发现在等离子体化学气相生长法制备薄膜时，硅衬底上形成无定形初期层的可能原因有氧的存在、离子轰击以及高温下硅的氮化物的形成.在H₂气氛中1200K热处理硅衬底可以有效地减少真空室中残留氧浓度，除去硅表面的自然氧化层，保持硅衬底表面晶体结构.控制衬底温度不超过900 K，就能防止硅的氮化物的形成，成功地除去无 关键词： 立方氮化硼薄膜 等离子体化学气相生长 界面 电子显微镜     

含氢添加剂对合成cBN的影响及腔体温度分布

 通过对Li基触媒下立方氮化硼的高温高压合成实验结果的分析,研究了在Li基触媒作为主要触媒及氢化物作为添加剂的环境下,立方氮化硼的生长情况。同时由合成后样品中立方氮化硼的生成区域对V型生长区温度梯度分布进行了分析讨论。     

立方氮化硼晶体的杂质及颜色

 讨论了人工合成立方氮化硼晶体中的杂质与晶体颜色之间的关系，提出了cBN的赋色原因和机制。     

衬底材料对制备立方氮化硼薄膜的影响

较系统地研究了不同衬底材料对制备氮化硼薄膜的影响。用热丝增强射频等离子体CVD法,以NH3,B2H6和H2为反应气体,在Si,Ni,Co和不锈钢等衬底材料上,成功生长出高质量的立方氮化硼薄膜,还用13.56MHz的射频溅射系统将c-BN薄膜沉积在Si衬底上,靶材为h-BN(纯度为99.99％）,溅射气体为氩气和氮气的混合气体,所得到的氮化硼薄膜中立方相含量高于90%,用X射线衍射谱和傅里叶变换红谱对样品进行了分析表明,衬底材料与c-BN的晶格匹配情况,对于CVD生长立方氮化硼薄膜影响很大,而对溅射生长立方氮化硼薄膜影响不大。     

在Mg-hBN体系中水对cBN晶体合成的影响

 研究了4.5~5.5 GPa、1 400~1 800 ℃ 条件下,两种形态水——自由水与束缚水对在Mg-hBN体系中合成cBN晶体的影响。结果表明：水的形态与添加水的量对合成cBN晶体的颜色、成核率及生长条件有重要影响。自由水可抑制cBN晶体的成核数量,而束缚水可以改变cBN晶体的颜色并降低合成温度。     

片状立方氮化硼合成及其导电特性研究

 通过控制高压腔内的温度、压力梯度合成了粒径300～500 μm的片状立方氮化硼（cBN）单晶体。通过在原料中掺杂及对合成晶体的真空高温扩散掺杂，获得了具有半导体导电性的立方氯化硼材料并测试了其V-A特性。     

hBN-LiH/hBN-Li_3N-B体系合成cBN的赋色过程研究

在高温高压条件下,用hBN-LiH和hBN-Li3N-B为初始材料均可以合成出黑色cBN晶体。拉曼光谱测试结果表明,cBN晶体颜色变黑的原因是晶体中多余B原子的存在造成的。在hBN-Li3N-B体系中,晶体内部有明显的三角形阴影形成,表明从晶体表面的中心到顶角间B原子的含量较多,从表面中心到棱边B原子的含量逐渐减少。而在hBN-LiH体系中所得到的晶体颜色从黑色透明直接变成黑色不透明状态,晶体内部没有出现三角形阴影,表明晶体中作为杂质的B原子分布比较均匀。此两种情况说明,B作为杂质原子进入cBN晶体中可以有两种分布情况,一是居中对称分布,二是均匀分布,从晶体的生长环境和自身的排杂能力方面分析了晶体为什么会出现上述现象。     

cBN晶体的Raman光谱测量

 用R1000激光共聚焦Raman光谱仪研究了高温高压合成棒中的立方氮化硼（cBN）晶体、原材料六方氮化硼（hBN）和催化剂。Raman光谱测量结果表明：伴随cBN晶体生长的散射峰,出现了两条全新的Raman散射峰（约1.088 cm^-1和约1.368 cm^-1）。该散射峰所对应的物质可能是在高温高压条件下hBN向cBN转变时生成的不完全产物——BN的一种新相。这一结果将有助于进一步讨论cBN的生长机理。     

Measurement of the linear electro-optic tensor of cubic boron nitride single crystals

The transverse electro-optic(EO)modulation system is built based on cubic boron nitride(cBN)single crystals unintentionally doped and synthesized at a high pressure and high temperature.The photoelectric output of the system includes two parts that can be measured respectively and the value of elements in the linear EO tensor of the cBN crystal can be obtained.This method does not need to measure the absolute light intensity.All of the surfaces of the tiny cBN crystals whose hardness is next to the hardest diamonds are{111}planes.The rectangular parallelepiped cBN samples are obtained by cleaving along{110}planes and subsequently grinding and polishing{112}planes of the tiny octahedral cBN flakes.Three identical non-zero elements of the EO tensor of the cBN crystal are measured via two sample configurations,and the measured results are very close,about 3.68 and 3.95 pm/V,respectively,which are larger than the linear EO coefficients of the general III-V compounds.     

立方氮化硼的振动光谱及反射光谱的研究

 将黑色、黄色、棕色三种小于50 μm立方氮化硼粉末为样品，研究了其红外光谱、拉曼光谱、反射光谱，结果表明：（1）样品的红外光谱中，1 818 cm^-1和1 548 cm^-1属于cBN的晶格本征振动，而立方氮化硼的晶格本征振动外的晶体缺陷吸收则发生在~800 cm^-1，1 580 cm^-1~1 740 cm^-1和大于2 400 cm^-1处。（2）拉曼光谱测试表明，在1 052 cm^-1和1 304 cm^-1附近出现的散射与cBN不具有反演中心及cBN具有立方结构这样的事实相一致，并且这种散射伴随着布里渊区中心声子的横向和纵向发射。144 cm^-1附近出现的散射，被认为是由于局部振荡模式的出现，在反斯托克斯区造成的信号，这与晶格中杂质缺陷有关。（3）依据得到的反射光谱，计算了cBN单晶禁带宽度，发现这三种cBN都具有大于金刚石的禁带宽度值，分别为：E_g(黑)=6.21 eV，E_g(黄)=5.73 eV，E_g(棕)=5.71 eV。     

添加剂Li8SiN4对cBN晶体形貌的影响

 在4.5~5.0 GPa，1 500~1 800 ℃范围内，在Li基复合氮硼化物的催化体系中添加Li₈SiN₄后，得到了具有光泽的棕色透明的cBN单晶。研究了cBN晶体的形貌，结果表明，添加Li₈SiN₄后得到的等积形cBN晶体的百分比明显增多，除部分截角四面体外，多为截角八面体晶体，且棱角尖锐，晶面致密光滑。     

Peculiarities of spontaneous crystallization of cubic boron nitride single crystal powders in the Li-B-N (H,Be) system

Abstract

We have investigated the effect of beryllium additions on the kinetics of conversion of hexagonal graphite-like BN to cubic BN (hBN → cBN) as well as on the linear rate of cBN crystal growth in a Li-B-N (H, Be) system. Experiments were performed in the temperature range 1940-2080K at a pressure of 4.3GPa. With the addition of 0.25 and 0.50wt.% beryllium the activation energy of the cBN formation process is found to be 45.8 and 42.0kJ/mol, respectively. The resulting crystals showed p-type conductivity. The activation energy of the impurity carriers for the samples with 0.25 and 0.50 wt.% beryllium additions equalled 0.22 and 0.17eV, respectively.