Effects of Al and Ti/Cu on Synthesis of Type-IIa Diamond Crystals in Ni70Mn25Co5-C System at HPHT

High-quality type-Ⅱa gem diamond crystals are successfully synthesized in a NiToMn25Co5-C system by temperature gradient method （TGM） at about 5.5 GPa and 1560 K. Al and Ti/Cu are used as nitrogen getters respectively. While nitrogen getter Al or Ti/Cu is added into the synthesis system, some inclusions and caves tend to be introduced into the crystals. When Al is added into the solvent alloy, we would hardly gain high-quality type-Ⅱa diamond crystals with nitrogen concentration Nc 〈 1 ppm because of the reversible reaction of Al and N at high pressure and high temperature （HPHT）. Piowever, when Ti/Cu is added into the solvent alloy, high-quality type-Ⅱa diamond crystals with Nc 〈 1 ppm can be grown by decreasing the growth rate of diamonds.     

温度对Ib型和IIa型金刚石大单晶(100)表面特征的影响

本文在5.6 GPa, 1250–1340 ℃的条件下, 利用温度梯度法, 以FeNiMnCo 合金为触媒, 沿籽晶的(100)晶面成功合成了不同晶形的优质Ib型和IIa型金刚石大单晶. 利用激光拉曼附件显微镜, 分别对上述不同温度下合成的两类金刚石样品上表面(100)面的中心区域及棱角区域进行观察分析. 研究发现, Ib型和IIa型金刚石大单晶(100)晶面上从中心到棱角处黑色纹路的分布逐渐变黑变密集; 另外, 随着金刚石合成温度的升高, Ib型金刚石大单晶(100)面上黑色纹路由稀疏逐渐变稠密, 而IIa型金刚石大单晶的黑色纹路较为稀疏; Ib型金刚石大单晶的形貌特征表现为从低温晶体的不规则分布过渡到中温、高温晶体的典型树枝状分布. IIa型金刚石大单晶(100)面特征随温度变化规律与Ib型的类似. 这两类金刚石大单晶表面特征的差异可能是由于IIa 型金刚石具有比Ib型更小的生长速度和更少的氮含量. 最后, 对两类塔状金刚石大单晶进行拉曼光谱测试分析, 结果表明IIa型金刚石大单晶的品质较Ib型金刚石大单晶好.     

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.     

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.     

激光拉曼光谱法在金刚石研究中的应用

金刚石作为一种具有最高硬度、最高热导率以及最宽透光波段等多种极限性能的功能材料,在多个领域都有广泛的应用.近年来,人工合成金刚石,特别是对金刚石掺杂改性成为国内外研究的重点.因此,对金刚石组成及结构缺陷的研究分析成为了重要环节.激光拉曼光谱分析法是研究分析金刚石组成及结构的重要途径,本文综述了近年来激光拉曼光谱分析法在金刚石中的应用,涉及到该方法的基本原理以及在单晶金刚石表征、金刚石薄膜和金刚石聚晶等方面的应用.     

Finite Element Analysis of Convection in Growth Cell for Diamond Growth Using Ni-Based Solvent

Thermal-electricaJ-fluid coupled finite element analyses are performed in the model of the growth cell in a high-pressure and high-temperature （HPHT） cubic apparatus in which the large diamond crystal can be grown by using Ni-based solvent with temperature gradient method （TGM）. The convection in the Ni-based solvent with different thicknesses at 1700-1800 K is simulated by finite element method （FEM）. The experiments of diamond crystal growth are also carried out by using Ni-based solvent at 5.7GPa and 1700-1800K in a China-type cubic high pressure apparatus （CHPA）. The simulation results show that the Rayleigh number in the solvent is enhanced obviously with the increasing solvent thickness. Good quality diamond single crystal cannot be grown if the Rayleigh number in the solvent is too high.     

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.     

温度梯度法宝石级金刚石的合成及表征

利用温度梯度法,在5．0—5．7GPa,1250---1600℃条件下,研究了FeNiMnCo触媒合成宝石级金刚石的温度和压力区间,给出了P-T相图．基于有限元法的温度场模拟及碳素浓度梯度拟合结果表明,I型温度场只适合生长大尺寸优质板状及小尺寸塔状金刚石单晶;II型温度场可以合成出大尺寸优质板状或塔状金刚石单晶．该结论被Ib型及掺硼宝石级金刚石晶体生长实验所证实．提出碳素浓度梯度是决定晶体生长速度及合成晶体品质的关键因素．研究得到了只有触媒中温度场分布与晶体尺寸、形貌相匹配时,才能合成出优质宝石级金刚石单晶的晶体生长规律．揭示了{110},和{113}高指数晶面在Ib型金刚石“V”形区内的分布规律．通过傅里叶红外光谱检测发现,FeNiMnCo触媒合成金刚石的氮含量较低,较低的氮含量是由铁会降低金刚石氮含量所致．氮含量低有利于金刚石的光谱透过性．     

Fe3O4/β-CD的高压电学性质研究

 高压下的电学性质测量是获得材料物理性质的有效手段。利用集成在金刚石对顶砧上的薄膜微电路,测量了高压下Fe₃O₄/β-CD（β-糊精）的电导率,并分析了电导率随压力的变化关系。在0～39.9 GPa范围内,Fe₃O₄/β-CD的电导率随压力的增加而逐渐增大,并呈半导体的特征;而在17.0 GPa处其电导率发生突变,表明样品发生了高压相变。在卸压过程中,电导率随压力的变化呈线性关系,并且卸压后样品的电导率不能回到最初的状态,推测这是一个不可逆的高压结构相变。     

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.