Dependence of Crystal Quality and β Value on Synthesis Temperature in Growing Gem Diamond Crystals

High quality Ib gem diamond single crystals were synthesized in cubic anvil high-pressure apparatus （SPD- 6 × 1200） under 5.4GPa and 1230℃-1280℃. The （100） face of seed crystal was used as growth face, and Ni70Mn25Co5 alloy was used as solvent/catalyst. The dependence of crystal quality andβ value （the ratio of height to diameter of diamond crystal） on synthesis temperature was studied. When the synthesis temperature is between 1230℃ and 1280℃, theβ value of the synthetic high-quality gem diamond crystals is between 0.4 and 0.6. The results show that when theβ value is between 0.4 and O. 45, the synthetic diamonds are sheet-shape crystals; however, when theβ value is between 0.45 and 0.6, the synthetic diamonds are tower-shape crystals. In addition, when theβ value is less than 0.4, skeleton crystals will appear. When theβ value is more than 0.6, most of the synthetic diamond crystals are inferior crystals.     

FeMn粉末触媒对合成金刚石的影响

 利用FeMn粉末触媒在国产六面顶压机上进行了合成金刚石单晶的实验,研究了高温高压条件下（5.7 GPa、1 550 ℃）,石墨-FeMn粉末触媒体系中金刚石单晶的生长特性。通过光学成像显微镜观测表明：合成出的金刚石单晶呈浅黄色,晶形完整,且都是八面体,晶体里含有白色物质,粒度集中在0.3~0.5 mm;通过扫描电镜观测了晶体的表面形貌,表面有熔坑;通过穆斯堡尔谱,发现粉末触媒里主要是FeMn合金和独立状态的Fe,金刚石内部主要是Fe和Fe₃C;利用X射线荧光光谱,检测出样品里有Fe和Mn元素。     

Na填充型方钴矿化合物CoSb3的高压合成及电输运特性研究

 利用高压合成方法,在压力为2 GPa、温度为900 K的条件下,以NaN₃作为添加剂,成功地合成出了Na填充型的方钴矿化合物CoSb₃。X射线衍射（XRD）研究结果表明,当Na填充量达80%时,合成的Na填充型方钴矿化合物CoSb₃仍为单相方钴矿结构,没有Na和NaN₃等杂质峰。在室温下对不同Na填充量的样品进行了电阻率（ρ）和Seebeck系数（α）的测试,研究了不同Na填充量对样品电阻率、Seebeck系数和功率因子（α²σ）的影响。研究结果表明：室温下,样品的电导率随Na填充量的增加而增大,Seebeck系数的绝对值随Na填充量的增加而减小。当Na填充量为0.4时,样品获得了最高的功率因子（8.72 μW·cm^-1·K^-2）,此值高于He等报道的利用热压法制备的CoSb₃的值。填充量对样品电输运特性的影响规律与Pei等研究的K填充型CoSb₃的研究结果相一致。上述研究结果表明,高压合成技术有利于提高填充型方钴矿化合物的填充量,并有效地提高样品的电输运特性。     

在NiMnCo-Cu-C体系中生长宝石级金刚石单晶

利用温度梯度法在NiMnCo-Cu-C体系、于5.5 GPa、1250℃条件下进行了宝石级金刚石单晶的生长研究,结果发现,Cu片在触媒中的放置位置和其在金属触媒中所占体积分数对宝石级金刚石单晶的生长具有明显影响.当Cu片放置在碳源和触媒之间时,将不会有充足的碳源扩散到籽晶上,晶体无法生长;但放在触媒中其他位置,体积分数适当时,不会对晶体生长有明显影响.随着Cu体积分数增加,优质晶体生长将变得困难,当体积分数在20;时,晶体有生长,但晶体内部跟表面明显存在由于包裹体存在造成的生长坑洞;当体积分数在40;左右时,晶体将不再生长.不过当Cu在触媒中的体积分数适当时,会降低碳源在触媒中的输运,从而对抑制自发核生长起到一定的作用.     

Synthesis of N-type semiconductor diamonds with sulfur,boron co-doping in FeNiMnCo-C system at high pressure and high temperature

A series of diamonds with boron and sulfur co-doping were synthesized in the Fe Ni Mn Co-C system by temperature gradient growth(TGG) under high pressure and high temperature(HPHT). Because of differences in additives, the resulting diamond crystals were colorless, blue-black, or yellow. Their morphologies were slab, tower, or minaret-like. Analysis of the x-ray photoelectron spectra(XPS) of these diamonds shows the presence of B, S, and N in samples from which N was not eliminated. But only the B dopant was assuredly incorporated in the samples from which N was eliminated. Resistivity and Hall mobility were 8.510 ?·cm and 760.870 cm~2/V·s, respectively, for a P-type diamond sample from which nitrogen was eliminated. Correspondingly, resistivity and Hall mobility were 4.211×10~5 ?·cm and 76.300 cm~2/V·s for an N-type diamond sample from which nitrogen was not eliminated. Large N-type diamonds of type Ib with B–S doping were acquired.     

PbTe的高温高压合成

 以高温高压为手段，在4～5GPa压力和700～1 200 K温度条件下，成功地合成出了PbTe。对合成样品进行了X射线测试分析，结果表明，合成的PbTe样品是具有NaCl结构的多晶，而PbTe的取向随着合成压力的升高发生变化。扫描电镜分析结果显示：高压合成的PbTe样品，其晶粒有了明显的取向；电阻率比常压样品低1～2个数量级，并随合成压力的升高而降低；热导率也同时低于常压合成的PbTe样品。以上结果说明，高压合成方法是改善材料性能的重要手段。     

基于有限元法分析宝石级金刚石的合成腔体温度场

以有限元法为理论分析手段模拟分析了温度梯度法合成宝石级金刚石大单晶的腔体温度场,实现了对宝石级金刚石的合成腔体内各位置温度同时测量.模拟结果表明:在宝石级金刚石合成过程中,其温度分布呈不均匀分布.腔体内高温区分布在样品(碳源+触媒)边缘,低温区分布在籽晶附近.样品腔内热量的传递方式和样品腔内的碳源输运方式相同,均由碳源的两侧向籽晶附近传输.籽晶附近轴向温度梯度大于径向温度梯度,导致单位时间内其轴向生长尺寸大于径向生长尺寸.宝石级金刚石腔体温度场分析的理论模型的成功构建,为新型宝石级金刚石腔体的研制提供了良好的设计基础,对促进优质宝石级金刚石的生长技术具有指导意义.     

快速合成立方六面体金刚石大单晶晶体的质量研究

利用高温高压温度梯度法,在优质六面体金刚石大单晶稳定生长的基础上,合理调整晶床高度为5 rmm,在1300～1350℃温度区域30h合成优质六面体晶体重量达2.04克拉,生长速度高达13.6 mg/h.三种晶体样品(本实验合成晶体,日本住友公司合成晶体,元素六公司合成晶体)经显微红外吸收(IR)测试,本实验合成晶体{100}晶面的平均氮含量为240 ppm,高于日本住友和元素六晶体样品的氮含量;三种晶体样品经激光拉曼测试,均在1332 cm-1左右出现了较强的金刚石拉曼标准峰,利用高斯模拟计算出本实验合成晶体拉曼峰的半高宽值为5.570cm-1,大于日本住友晶体样品而小于元素六合成的晶体样品;对三种晶体样品的生长速度、氮含量分布和晶格结晶程度分析,由于本实验合成六面体晶体的生长速度远大于二者,使晶体的晶格结晶程度稍差于日本住友样品而优于元素六晶体,结合激光拉曼图谱分析本实验合成的六面体晶体中有少量杂质存在,或许这些杂质的存在正是导致其{100}晶面氮含量高于日本住友样品氮含量的主要原因.     

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.     

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.