金刚石单晶高温高压合成中氮对硫的影响

为了研究在金刚石大单晶生长过程中氮对硫的影响,在6.5 GPa高压条件下采用温度梯度法分别研究了两种不同合成体系中金刚石的合成.利用傅里叶显微红外光谱(FTIR)仪对所合成的金刚石进行了测试,测试结果表明:晶体中(a)中不含有氮,晶体中(b)中氮的浓度为280 ppm.此外,对所合成的样品进行了X射线光电子能谱测试,测试结果表明:在Ib型金刚石中有硫元素存在,而硫未进入到IIa型金刚石中.因此,金刚石中氮的存在对金刚石中硫的进入有促进作用.     

Fe70Ni30粉末触媒中Ⅱa型金刚石大单晶的高温高压合成

在6.5 GPa高压条件下,使用Fe70Ni30粉末触媒研究了Ⅱa型金刚石大单晶的合成.实验结果表明,若不对晶种表面进行保护,高温高压条件下金刚石晶种将发生碳化,致使难以合成出金刚石.当合成腔体中除氮剂Ti/Cu添加量达到2.2wt;时,所合成的金刚石大单晶呈现为无色透明,利用傅里叶显微红外光谱仪(FTIR)对所合成的金刚石大单晶进行了测试,所合成的晶体中不含有氮杂质.然而,F1IR测试结果表明所合成的Ⅱa型金刚石大单晶中有碳-氢基团的存在,其对应的FTIR特征吸收峰分别位于2850 cm-1和2920 cm-1处.此外,所合成的Ⅱa型金刚石大单晶的Raman特征峰位于1132.13 cm-1处,且其结晶度非常高.     

硼和氮掺杂金刚石单晶的合成与Raman光谱研究

氮(N)元素和硼(B)元素为金刚石晶体中常见的两种杂质元素,它们对金刚石的物理化学性质有着重要的影响.本文使用高温高压温度梯度法合成了分别含有氮和硼杂质的金刚石单晶,并使用Raman光谱对晶体进行分析研究.研究发现:随着金刚石生长体系内杂质的引入,晶体的质量变差;当生长体系含有氮杂质时,生长的含氮金刚石晶体的特征峰谱线向低波数偏移,晶体的应力表现为拉应力;当生长体系含有硼杂质时,生长的含氮金刚石晶体的特征峰谱线向高波数偏移,晶体的应力表现为压应力.本研究将有助于丰富金刚石单晶掺杂的认识.     

添加不同硼源时金刚石的高温高压合成

在压力6.5 GPa、温度1290～1350℃实验条件下,研究了合成体系中分别添加单质硼、六角氮化硼(h-BN)时金刚石的合成.由于合成体系中添加剂的存在,导致所合成的金刚石颜色发生了明显的改变.傅里叶显微红外光谱(FTIR)测试表明,当合成体系中h-BN添加量较少时,所合成金刚石中含有替代式的氮杂质,且金刚石中有sp2杂化的硼-氮、硼-氮-硼结构存在.当合成体系中h-BN添加量达到2 wt;时,金刚石中的氮仅以硼-氮-硼的结构存在.此外,霍尔效应测试结果表明,硼掺杂金刚石具有p型半导体特性,而合成体系中添加h-BN所制备的金刚石表现为绝缘体.     

用FeNiMn55#粉末触媒合成工业金刚石

利用FeNiMn55#粉末触媒在国产六面顶压机上进行工业金刚石单晶的合成,研究高温高压条件下(5.7 Gpa,1400～1600 ℃),C-FeNiMn55#粉末触媒体系中金刚石单晶的生长特性.结果表明,C-FeNiMn55#系能够合成出六-八面体及八面体金刚石,但六面体金刚石生长区间较窄,不易生长.通过光学显微镜观测表明,合成出的金刚石单晶呈黄色,晶形完整,晶体内部有气泡产生.M(o)ssbauer测试结果表明金刚石中包裹体的主要成分为Fe3C和FeNiMn55#合金.     

微波等离子体化学气相沉积设备微波系统的仿真优化与验证

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法产生的等离子体密度高,材料外延生长过程可控性好且洁净度高,是制备高质量金刚石膜的重要方法.基于谐振腔理论和三维全波电磁场仿真,对MPCVD设备微波系统中谐振腔、模式转换器、样品托等影响微波传输效率及电场分布形态的部件进行设计和优化,并通过对微波传输系统关键参量的测试和监控,研究系统调试变量对金刚石外延生长的影响.基于自研的MPCVD设备,实现较高品质金刚石膜的合成,金刚石有效生长区域为?50 mm圆面,外延生长速度10～25μm/h,单晶样品的表征结果显示合成的金刚石透光率接近理论值,材料的结晶程度良好,氮、硅等杂质含量较低.     

硼、氮共掺杂金刚石的高温高压退火研究

本文通过温度梯度法在5.5 GPa和1300℃的条件下合成了硼、氮共掺杂金刚石单晶.随后分别在5.0 GPa,2000℃和2100℃的条件下对合成金刚石进行了高温高压(HPHT)退火处理.傅里叶红外光谱(FT-IR)测试表明高温高压退火后晶体内部单一替代形式的C心氮转变成了聚集态A心氮,且随着退火温度的升高A心氮的含量提高.晶体内部带正电荷的氮离子N+的含量并未受到退火处理的影响.经过高温退火后晶体内部出现了NV0和NV-色心,但是继续提高退火温度时NV色心消失.高温高压退火并未对金刚石晶体的结构及内应力产生明显的影响.高温高压退火处理后金刚石晶体的热稳定性能提高,其起始氧化温度、剧烈氧化温度以及质量急剧减少的温度点分别提高了65℃、55℃以及61℃.本文对高温高压退火处理应用到硼、氮共掺杂金刚石提供了指导.     

硼含量对含硼金刚石单晶电学性能的影响

采用碳化硼添加量不同的铁基触媒,在高温高压下合成含硼金刚石单晶.用数字电桥和自制的电阻测量夹具测量了含硼金刚石单晶的电阻;用阴极射线发光光谱测量了金刚石单晶的光子频数;用XRD检测了不同硼含量掺杂的金刚石单晶的晶体结构.结果表明:随着触媒中碳化硼添加量的增加,含硼金刚石单晶的电阻率降低,可呈现半导体电阻特性.其原因是硼元素的掺入促进了金刚石单晶的(111)晶面生长,使受主能级提高,晶体的带隙变窄,载流子浓度提高.     

硫脲掺杂金刚石的高温高压合成及FT-IR光谱研究

利用温度梯度法,在6.5 GPa、1 300～1 350℃的高温高压极端物理条件下,通过在FeNiCo-C合成体系中添加硫脲(CH4N2S)成功合成了金刚石,所合成的晶体呈现出黄色且具有六-八面体形貌.利用扫描电镜(SEM)对所合成金刚石的表面形貌进行了表征,测试结果表明,随着合成体系中CH4N2S添加量的逐渐增加,所合成金刚石的表面变得逐渐粗糙.借助傅里叶红外(FT-IR)光谱对金刚石样品内部的氮、氢缺陷以及化学键结构进行了测试分析,结果表明,金刚石中的氢元素以-CH3,-CH2-,C-H形式存在,而其内部的氮杂质以C心、A心形式存在.此外,在3 300～3 600 cm-1观察到NH的吸收带.     

金刚石大单晶中金属包裹体形态变化的研究

采用高温高压法对含有金属包裹体的金刚石大单晶进行了处理,发现在5.4 GPa的条件下,金属包裹体形态变化的温度区间与金刚石大单晶合成的温度区间具有一致性,约在1500 ～ 1650 K.在1525 ～1625 K这一温度范围内,金属包裹体随着温度的升高,其形态都有向球体变化的趋势,随着处理时间的延长,包裹体形态最终会趋于稳定.不同的温度条件下,包裹体的稳定形态也不同,但包裹体高温下的稳定形态具有一定的不可逆性,同时包裹体的稳定形态也与处理前晶体中包裹体的原始形态有关.红外光谱分析发现,处理前后金刚石中以孤氮为主的氮杂质存在形式未发生改变.     

过渡金属轻元素化合物的高温高压制备

过渡金属轻元素化合物（TMLEs）由于具备高硬度,高熔点,优异电学、磁学、超导等性质受到广泛关注,是一类 具有优异力学性能的功能性材料。优异力学性能与功能性的结合使TMLEs成为极端环境下使用的特种材料。然而, TMLEs的制备往往需要高温高压（HPHT）极端实验条件来克服能垒。目前,已经有了大量HPHT制备TMLEs的报道, 然而,多数只关注产物的性质,对在HPHT下TMLEs的生长机制报道较少。因此,总结HPHT制备的TMLEs,分析TMLEs的晶体生长过程,对理解TMLEs的晶体生长机理、探究新型 TMLEs的制备具有重要意义。结合本课题组研究 经验及其他相关文献,总结了HPHT方法制备的过渡金属硼化物（TMBs）、碳化物（TMCs）和氮化物（TMNs）的晶体生 长情况,分别从起始原料、温压条件、晶体形貌等方面分析了TMLEs的生长机制。总结如下：通过原料配比和温度控 制是制备TMBs单一相的关键,提出硼亚结构单元是使TMBs形成台阶式生长模式的本质因素,碳源和氮源的选择决 定了 TMCs和TMNs的生长机制。同时提出,缺少利用HPHT制备TMLEs毫米级单晶的报道,限制了TMLEs部分本 征的性质探究;并且,新型高轻元素含量的TMLEs结构依然有待开发。随着人类对材料的要求越来越苛刻,以及TMLEs的不断发展,TMLEs将在未来特种材料领域具有不可替代的地位。     

高温高压下微斜长石的阻抗谱实验研究

在1.0～3.0GPa,673～973K和10(-1)～10(6)Hz条件下,利用交流阻抗谱实验技术,首次对微斜长石[K(0.73)Na(0.16)Ca(0.09)(0.98)AlTi(0.01),Si(2.99)O8]电导率进行原位测量.实验结果表明:样品的复阻抗的模和相角对频率有很强的依赖性;样品电导率随着温度升高而增大,电导率的对数和温度的倒数之间关系符合Arrhenius线性关系;微斜长石电导率随着压力升高而降低,而活化焓随之增加;离子导电机制对高温高压下微斜长石的导电行为给予了合理的解释.     

高温高压氮掺杂金刚石的光致发光研究

本文利用激光共聚焦显微拉曼光谱仪表征了高温高压法合成的氮掺杂金刚石,并分析了该晶体的光致发光特性.结果表明,金刚石晶体内部含氮量比晶体表面高,且由于氮原子尺寸较大,使得晶体内部应力较高,晶化程度弱化;另外,氮掺杂金刚石的光致发光主要以氮-空位(NV)复合缺陷为主;氮含量高的区域,NV缺陷发光增强,且NV-/NV0强度比也增强.这是因为氮作为施主原子,有利于负电荷缺陷即NV-中心的形成;同时氮含量升高,也会使得费米能级向NV-中心的基态靠近,这也造成了NV-/NV0强度比随氮含量增加而增强.     

MPCVD单晶金刚石高速率和高品质生长研究进展

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备大尺寸高品质单晶金刚石的理想手段之一.然而其较低的生长速率(～10μm/h)以及较高的缺陷密度(103～107 cm-2)是阻碍MPCVD单晶金刚石应用的主要因素,经过国内外研究团队数十年的不懈努力,在高速率生长和高品质生长两个方面都取得了众多成果.但是除此之外还需解决高速率与高品质生长相统一的问题,才能实现MPCVD单晶金刚石的高端应用价值.     

高温高压下Z轴水晶的电导率实验研究

电导率测量的过程历经了从直流一交流一阻抗谱的过程,已经为地球物理学家借助于高温高压手段研究固体深部物质电学性质所广泛认同的.本文首先介绍了阻抗谱法测定水晶电导率的实验原理,进而采用该方法在10-1～106Hz的频率范围以及1.0～4.0GPa和823～1073K条件下,借助于YJ-3000t紧装式六面顶高压设备对沿Z轴方向生长的水晶进行了的电导率实验就位测量.实验结果表明:在选择的频率范围,样品的复阻抗的模和相角都对频率具有很强的依赖性;随着温度的升高,电阻迅速降低,电阻率降低,电导率增大;在压力1.0～4.0GPa,其活化焓分别为:0.8548eV、0.8320eV、0.8172eV、0.7834eV,独立于温度的指前因子分别为:1.003S/m、1.778S/m、3.082S/m、6.987S/m,活化焓随着压力的升高而降低,指前因子随着压力的升高而增大.     

高气压高功率条件下MPCVD法制备金刚石单晶

利用自主研发的圆柱谐振腔式MPCVD设备,在工作气压28 kPa,微波功率5 kW的条件下成功制备金刚石单晶,并采用光学显微镜、激光拉曼谱(Raman)技术对样品进行表征.结果表明,在高气压高功率条件下单晶的沉积速率高达26 μm/h,且表面形貌平整.     

Interdiffusion and Convection in High Magnetic Fields

In liquid diffusion measurements, the main problem is the additional mass transport by convection. In the system Indium-Tin, convection caused by density gradients in horizontal and vertical capillaries was characterised, and the magnetohydrodynamic damping was investigated experimentally. While the magnetic field effect on diffusion experiments in vertical capillaries was relatively minor, the damping effect of the magnetic field could be clearly demonstrated in horizontal capillaries. Comparing these experiments with experiments in microgravity it can be seen that in the investigated system convection was practically completely suppressed by transversal magnetic fields higher than 3T. In electrically conducting crucibles, the sample was mixed by Lorentz forces on account of thermoelectric currents.     

高热导率Si3N4陶瓷的高压合成及性能研究

在高温高压条件下(HPHT,4 ～5 GPa,1430 ～1530℃),采用高压烧结技术,利用Y2O3、MgO作为烧结助剂,通过和不同质量配比的氮化硅(a-Si3N4,β-Si3N4)粉体复合,制备了具有高热导率和高致密性的Si3N4陶瓷.本实验采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱EDS、热导率测定仪、维氏硬度计对样品进行了分析和表征,研究了压强、烧结温度、保温时间对热导率和致密性的影响.结果 表明:超高压条件有效降低了烧结温度,缩短了烧结时间.当烧结条件在5 GPa,1490℃,1h时,其硬度为16.5 GPa,此时β-Si3N4复合陶瓷的致密化最优,气孔率(0.26;)和晶格缺陷显著改善.研究发现适当的延长烧结时间可以促进晶粒正常长大,同时产生较高的热导率,最高可达到64.6W/(m· K).     

高温高压退火对碳化硅性能的影响

以CVD生产的碳化硅为原料在高温高压下进行退火处理,探究退火温度对碳化硅性能的影响.实验结果表明:随着退火温度的增加,碳化硅的颜色由浅绿色变为无色;体积有明显的缩小、密度增加;退火后碳化硅的抗压强度显著增强,机械强度有所增加;退火后的SiC结构并没有发生变化,15R-SiC在798.6 cm-1处拉曼峰强度减少,4H-SiC在970 cm-1拉曼峰强度有所增强.