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.     

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。     

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。     

金刚石单晶生长的声发射实时检测初探

采用声发射检测技术,对高温高压下人造金刚石单晶的生长过程进行了检测和分析。利用由PCI-8型声发射仪和LMD-800型铰链式六面顶压机组成的声发射检测系统,检测了金刚石单晶的生长过程。将金刚石单晶生长和不生长过程中检测到的声发射信号进行对比和频谱分析,结果表明:声发射信号与金刚石单晶生长过程存在对应关系;金刚石单晶生长对应的声发射信号是一种低频信号,可以利用声发射信号的变化规律研究金刚石单晶在高温高压条件下的原位反应机理。     

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.     

高温高压下金刚石单晶生长过程的声发射动态特征

采用声发射技术对高温高压下人造金刚石单晶的生长过程进行了动态检测。结合合成压块的断口形貌,对金刚石单晶生长过程对应的主要声发射参数进行了分析。结果表明,声发射信号的能量计数、振铃计数、幅度和上升时间等特征参数能客观反映金刚石单晶在高温高压下的动态生长规律,为研究金刚石单晶的生长机制提供了重要的实验依据。     

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.     

单晶金刚石边缘表面倾斜角度对同质外延生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,对单晶金刚石(100)晶面边缘进行精细切割抛光处理,形成偏离(100)晶面不同角度的倾斜面,在CH_4/H_2反应气体中进行同质外延生长,研究单晶金刚石边缘不同角度倾斜面对边缘金刚石外延生长的影响.实验结果表明,边缘倾斜面角度对边缘的单晶外延生长质量有影响,随着单晶金刚石边缘倾斜面角度的增大,边缘多晶金刚石数量先减少后增多,在倾斜角3.8°时边缘呈现完整的单晶外延生长特性.分析认为,边缘不同角度的倾斜面会改变周围电场强度和等离子体密度,导致到达衬底表面的含碳前驱物发生改变,倾斜面台阶表面的含碳前驱物浓度低于能形成层状台阶生长的临界浓度是减弱单晶金刚石生长过程中边缘效应的主要原因.     

高温高压触媒法金刚石生长的热力学分析

 利用热力学中经典的ΔG<0判定法,探讨了Fe基触媒合成金刚石晶体生长中的碳源问题,在计算中考虑了各物相的体积随温度和压力的变化。结果表明：在金刚石形成之前,就有大量Fe₃C形成,而在触媒法合成金刚石的温度和压力范围内,Fe₃C→C(金刚石)+3γ-Fe反应自由能和石墨→金刚石相变自由能均为负值,但前者比后者的绝对值更大,这说明前者更容易发生。因此,从热力学角度看,Fe₃C的形成降低了石墨转变为金刚石所要越过的势垒,使用Fe基触媒合成金刚石单晶的生长来源于Fe₃C的分解而不是石墨的直接转化。同时推导出在1200 K以上石墨-金刚石的平衡p-T关系：p_eq(GPa)=1.036+0.00236T (K),与F.P.Bundy的平衡线非常接近,证明了本热力学计算方法的可行性。     

高温高压下Fe-Ni-C系合成金刚石的研究

 以工业纯单质铁粉和单质镍粉为主要原料，采用粉末冶金方法制备了Fe-Ni-C系反应体系，在六面顶压机上进行了金刚石合成实验。Raman光谱和X射线衍射结果表明，采用这种方法获得的粒径为200~500 μm，呈六-八面体聚形的晶体为立方金刚石单晶。通过对常规力学性能的检测发现，金刚石的品位较高，超过SMD25级锯片级金刚石的要求。分析认为，高温高压下金刚石自Fe-Ni-C系形核是一个触媒不断溶解催化碳原子的过程。大量的实验结果可以证实，金刚石在Fe-Ni-C系长大所需的碳原子来自于在γ-(Fe，Ni)吸引作用下、从(Fe，Ni)₃C中不断脱溶的碳。金属包覆膜在这一过程中不但起到了输送碳原子的作用，还以独特的方式促成了碳原子由sp²π杂化态向sp³杂化态的转变。     

磁性对人造金刚石单晶机械性能的影响

 对人造金刚石单晶进行了磁性分离实验研究,在此基础上对各样品进行了静压强度、冲击强度和热冲击强度等方面的分析测试。结果表明,磁性对人造金刚石单晶的机械性能有明显的影响。金刚石单晶的磁性越强,其外观颜色越深,内部气泡和杂质及缺陷越多,表面光洁度越差,则其静压强度、常温冲击强度（I_T）和热冲击强度指数（I_TT）值就越低。磁性对静压强度和常温冲击强度的影响相对较小,而对热冲击强度的影响最大。     

降温工艺对宝石级金刚石单晶品质的影响

在国产六面顶压机上,采用温度梯度法,在5.6 GPa,1200—1400?C的高压高温条件下,裂晶问题频繁出现的合成周期内,围绕裂晶现象开展了Ib型宝石级金刚石单晶的生长研究,系统考察了降温工艺对宝石级金刚石单晶品质的影响.针对宝石级金刚石单晶常见的裂纹缺陷,借助于扫描电子显微镜,分别对优质金刚石单晶和存在裂纹金刚石单晶的表面形貌进行了表征;利用微区傅里叶转换红外光谱测试手段,对上述两类晶体的N杂质含量分别进行了测试,依据测试结果,对裂晶出现的原因进行了分析;分别采用传统断电降温和缓慢降温工艺,考察了晶体生长结束后的降温工艺对宝石级金刚石单晶品质的影响.结果表明,缓慢降温工艺在很大程度上可以有效抑制裂晶问题出现.另外,从宝石级金刚石单晶品质和单晶受到的外应力两个方面着手,分别对裂晶出现的机理和采用缓慢降温工艺有效解决裂晶问题的机理进行了讨论.     

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.     

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.     

Growth and Characterization of the Laterally Enlarged Single Crystal Diamond Grown by Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition

Laterally enlarged single crystal diamond is grown on(001) diamond substrates by microwave plasma chemical vapor deposition. Based on the largest side-to-side width of the seed of 7.5 mm, we achieve the as-grown epilayer with the width of about 10 mm between the same two sides. The luminescence difference between the broadened part of the single crystal diamond and the vertically epitaxial part is investigated by characterizing the vertical cross section of the sample, and the possible growth mechanism is suggested. Vertical epitaxy on the top(001)surface and lateral growth on the side surfaces occur simultaneously, and thus the growth fronts along the two directions adjoin and form a coalescence zone extending from the edge of the substrate towards the edge of the expanded single crystal diamond top surface. The luminescence intensity of the nitrogen-vacancy center is relatively high in the coalescence zone and a laterally grown part right below, which are attributed mainly to the higher growth rate. However, stress change and crystal quality change are negligible near the coalescence zone.     

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.