金刚石高温高压合成技术

高温高压法合成金刚石的原理高温高压法合成金刚石的原理引言金刚石是目前已知最坚硬的物质之一，具有极高的热导率、优异的化学稳定性和光学性能。

其在工业领域有着广泛的应用，如切割、磨削、钻石冶炼等。

早在20世纪50年代，科学家们就通过高温高压法成功地合成了金刚石，并对金刚石的合成原理进行了深入研究。

本文将详细介绍高温高压法合成金刚石的原理及其过程。

一、高温高压法合成金刚石的基本原理高温高压法合成金刚石是通过将高纯度的石墨置于高温高压环境中，在一定压力和温度条件下，使其发生相变转化为金刚石结构体。

其基本原理可以归纳为以下两个方面：1. 高压作用原理在高压下，石墨的层状结构发生变化，碳原子排列发生重组，形成更加紧密的结构，其中碳原子两两成对。

同时，高压还有利于碳原子间的共价键形成，促使石墨向金刚石的结构转变。

高压作用使得原有的石墨层结构中的芳香六元环断裂，重新构建出新的碳原子构型，形成金刚石的晶粒。

2. 高温作用原理高温下，由于碳与金属元素（如钴、铁等）有较好的相容性，这些金属元素在纯碳体系中具有催化作用，可以促进石墨向金刚石的相变。

此外，高温还可以提高反应速率，并减小金刚石晶核形成的能垒。

因此，高温作用在金刚石的合成过程中起到了至关重要的作用。

二、高温高压法合成金刚石的过程高温高压法合成金刚石的过程可以分为以下几个步骤：1. 制备金刚石晶体的种子层首先，需要在高温高压容器内的金刚石粉末层上制备金刚石晶体的种子层。

金刚石粉末的颗粒与金刚石晶种产生化学反应，形成金刚石表面晶体的结构。

种子层是金刚石晶体生长的起始核心，为后续金刚石的形成提供了必要的条件。

2. 加入高纯度石墨粉在高温高压容器中加入高纯度石墨粉末，使其与种子层接触。

石墨粉末需要达到足够高纯度，以保证金刚石晶体的纯度。

3. 施加高温高压施加高温高压条件，使得石墨发生相变，转化为金刚石晶体。

一般来说，需要施加高压数GPa（1 GPa=1亿帕）和高温约1500-2000摄氏度的条件。

高温高压法制备金刚石的原理高温高压法制备金刚石的原理引言金刚石是一种极硬的材料，具有极高的热传导率和耐腐蚀性，因此在各种应用领域广泛使用。

高温高压法是一种常用的制备金刚石的方法，该方法通过模拟地球上下地壳深部的高温高压环境，实现金刚石的合成。

本文将详细介绍高温高压法制备金刚石的原理。

一、高温高压环境的模拟地球地壳深部的高温高压环境是金刚石形成的重要条件。

通过高温高压法制备金刚石，首先需要模拟地壳深部的高温高压环境。

在实验室中，通常采用高压研磨材料机、高温高压压力机等设备模拟这种高温高压环境。

高温环境的实现通常通过电阻加热或雷诺拉瓦耳加热法。

在高温高压压力机中，先将金属碳混合料放置在石墨舟中，然后通过电流加热或者激光加热，使得样品的温度升高到高温区域。

高压环境的实现通过高压器和胀压器，在加热后，加入聚四氟乙烯、石墨等脂类物质或BbO3作为体积不可压缩性的坚实胀压剂。

二、金刚石的形成机制高温高压法制备金刚石的核心是模拟地下深部的高温高压环境，通过热力学和动力学的驱动，使碳源在高温高压条件下转变为金刚石。

而这个转变的过程主要包括以下几个步骤：1. 溶质溶解：金刚石的制备通常使用金属碳混合料，该混合料由金属催化剂和碳源组成。

首先，在高温高压环境下，碳源被金属催化剂溶解，形成溶液。

2. 稳定获得：当碳源与金属催化剂溶解后，在高温高压环境下，碳原子会在液体中重新排列，形成石墨结构。

3. 石墨向金刚石转变：在高温高压环境下，石墨结构中的碳原子会受到高温高压的作用，断键并重新形成碳原子间的共价键，形成金刚石结构。

4. 金刚石的析出：随着金刚石晶核的形成，大量的金刚石会从溶液中析出，形成金刚石晶体。

由于高温高压环境的作用，金刚石的晶体会逐渐长大。

三、金刚石的性质经过高温高压法制备的金刚石具有极高的硬度、热传导率和耐腐蚀性。

金刚石的硬度是由其晶体结构和键长决定的。

金刚石晶体结构中，每个碳原子都有四个共价键，键长极短，碳原子之间的键能非常高，因此具有极高的硬度。

金刚石压腔高温高压实验技术及其应用一、引言金刚石压腔高温高压实验技术是一种重要的实验方法，在地质学、物理学等领域有着广泛的应用。

本文将介绍金刚石压腔高温高压实验技术的原理、实验装置和实验过程，并探讨其在岩石学、矿物学以及地球科学研究中的应用。

二、金刚石压腔高温高压实验技术的原理金刚石压腔高温高压实验技术是利用金刚石作为高温高压实验室的窗口材料，通过压缩装置施加高压力、加热装置提供高温条件，模拟地下深部的高压高温环境进行实验研究。

金刚石压腔的硬度和耐高温特性使其成为理想的实验材料。

金刚石压腔高温高压实验技术的原理可以简单地概括为以下几个方面： 1. 利用高压装置施加外界压力，模拟地下深部的高压条件； 2. 利用加热装置提供高温环境，模拟地下深部的高温条件； 3. 利用金刚石窗口材料透明性好的特点，观察实验过程及实验样品的变化； 4. 通过实验测量得到样品在高温高压下的物性参数，研究岩石和矿物的性质、相变规律等。

三、金刚石压腔高温高压实验装置金刚石压腔高温高压实验装置通常包括高压装置、加热装置、金刚石窗口以及样品加载和观察系统。

3.1 高压装置高压装置通常由双台钳、液体压力媒介以及压力传递装置组成。

双台钳用于对金刚石窗口施加均匀的压力，使其承受高压；液体压力媒介可以是硅油或者高压密封的流体，用于传递外界压力至金刚石窗口；压力传递装置通常由压力传感器和压力控制系统组成，用于控制和测量高压力值。

3.2 加热装置加热装置通常由电阻炉和温度控制系统组成。

电阻炉用于提供高温环境，温度控制系统可以根据实验需求控制和测量实验温度，保持温度的稳定性。

3.3 金刚石窗口金刚石窗口是实验装置的核心部件，其材料应具备高硬度、高稳定性和高透明性的特点。

金刚石窗口通常由人造金刚石晶体制成，通过优化加工工艺保证其质量和完整性。

3.4 样品加载和观察系统样品加载和观察系统用于将待测样品放置于实验装置内，并通过金刚石窗口进行观察和实时记录。

人造金刚石高温高压法人造金刚石高温高压法（High Temperature-High Pressure （HTHP）Synthetic Diamond Technology）引言金刚石作为一种珍贵的宝石和工业材料，具有极高的硬度、热导率和耐磨性，以及良好的化学稳定性。

然而，天然金刚石资源有限，无法满足工业的需求。

因此，人造金刚石的制造技术应运而生。

其中，人造金刚石高温高压法是一种常用且有效的方法。

本文将详细介绍人造金刚石高温高压法的原理、过程、应用及其在工业中的重要性。

一、原理人造金刚石高温高压法是利用高温高压环境下，通过合成金刚石晶核，在短时间内制备出大尺寸、高质量的人造金刚石。

其原理主要涉及以下几个方面：1. 高温高压环境：该方法通常需要在5-7 GPa和1500-1800℃的条件下进行操作。

高压可以使石墨等碳源达到金刚石稳定区，而高温则有利于加速金刚石晶体的生长速度。

2. 石墨晶核：石墨是合成金刚石的碳源。

在高温高压下，通过合适的方法形成的石墨晶核可以作为金刚石生长的基础。

3. 金属溶剂媒介：在人造金刚石高温高压过程中，金属溶剂媒介起着至关重要的作用。

它可提供碳源和稳定和加强金刚石生长。

二、过程人造金刚石高温高压法的制备过程通常分为以下几个步骤：1. 准备金刚石结构的晶核：制备金刚石结构的石墨晶核，通过高温高压下使石墨发生一系列变化和转变。

2. 与金属溶剂反应：将金刚石结构的晶核与金属溶剂混合，该溶剂通常是镍、铁等金属或金属合金。

溶剂中的碳被晶核吸收，从而推动金刚石生长。

3. 控制升温降温：进行一定的温度升降控制，以促进金刚石晶体在给定时间内的尺寸和质量增长。

升温可以提高晶体生长速率，降温可以增强晶体的晶格完整性。

4. 降压获得金刚石：完成温度控制后，降低压力，使金刚石从金属溶剂中析出。

此时获得的人造金刚石经过进一步的处理和加工，如切割、研磨和抛光等，以达到应用需求。

三、应用人造金刚石由于其优异的硬度和热导率等特性，在诸多领域得到广泛应用。

人造金刚石的制备方法与超高压技术研究摘要：人造金刚石的制备是一项高度复杂和引人注目的科学技术领域。

随着科学技术不断进步，人造金刚石应用日益广泛，与此同时制备方法不断改进，如今超高压技术是我国制备人造金刚石的主要方法。

文章围绕天然金刚石的特点，按照静压法、动压法和低压法三种方法阐述人造金刚石制备技术，并从制备装置角度阐述人造金刚石的设计要点，旨在为人造金刚石技术发展优化提供更多参考。

关键词：人造金刚石；制备方法；超高压技术；高温高压；制备装置引言：金刚石作为一种具有卓越硬度、导热性和光学特性的材料，在工业、电子、医疗和科学研究等领域有广泛的应用。

然而，自然形成的金刚石非常稀有，开采困难，因此人造金刚石的制备一直是科学家和工程师们的重要研究领域之一。

超高压技术是制备人造金刚石的关键方法之一，通过模拟地下极端条件，将碳原子重新排列，形成金刚石晶体。

因此，本章研究人造金刚石的制备方法并阐述超高压技术，对推动人造金刚石发展有积极意义。

1人造金刚石的制备方法1.1高压法高压法是一种制备人造金刚石的可行方法，可以细化为两部分：其一是静压法，其二是动压法。

其中静压法适用于制备较大的金刚石晶体，而动压法适用于制备小型但高质量的金刚石晶体。

这两种方法都需要极高的压力和温度，以模拟地下地壳中自然形成天然金刚石的条件。

1.1.1静压法静压法是制备人造金刚石的一种传统方法，它通过在高压高温条件下将碳源压缩成金刚石晶体。

主要步骤如下：第一，将碳源（通常使用金属镁粉末）和种子金刚石晶体放置在高压装置中。

种子金刚石晶体通常是已有的金刚石小晶体，它们可以作为起始点来促使新的金刚石晶体生长。

第二，借助高压装置中产生的极高压力（通常在数兆帕到千兆帕之间）和高温度（通常在1500°C到2500°C之间）条件下，碳源被压缩成金刚石晶体的晶格结构。

第三，经过一定时间的高温高压操作，最终形成人造金刚石。

1.1.2动压法动压法是借助爆炸来产生极高的压力和温度，从而制备人造金刚石的方法。

优质克拉级金刚石大单晶的高温高压合成本文是利用温度梯度法在国产六面顶压机上进行优质克拉级金刚石单晶的合成研究。

通过对金刚石单晶生长环境稳定性的研究,确立了适合优质克拉级金刚石单晶生长的实验组装。

在此基础上,对大尺寸金刚石单晶的生长机制进行系统的研究。

研究了金刚石单晶合成中出现的裂晶问题、碳素扩散场对不同形貌晶体生长的影响、优质克拉级Ib型金刚石单晶的合成,以及掺硼金刚石单晶的生长等问题,主要内容如下:1.对金刚石单晶生长环境的稳定性问题进行了系统研究。

首先,考察了实验组装的稳定性问题。

其中,重点考察了石墨加热源材质的稳定性问题。

其次,对设备控制及生长环境对金刚石单晶生长的影响进行了研究。

2.系统研究了金刚石单晶合成过程中经常出现的裂晶问题。

给出了解决裂晶问题的几种有效的方法。

3.研究了塔状晶体的生长机制。

研究了碳源形貌对晶体生长的影响、高径比与合成温度和晶体品质的关系、碳素扩散场对塔状晶体生长的影响,以及大尺寸金刚石单晶的高指数晶面在“V”型区内的分布规律等。

4.通过对大尺寸金刚石单晶生长机制的研究,确立了优质克拉级金刚石单晶生长的实验技术。

5.掺硼大尺寸金刚石单晶的合成及机理分析。

研究了B掺杂对晶体颜色、生长缺陷和晶体生长速度的影响。

另外,对克拉级掺硼金刚石单晶的合成及应用问题也进行了探讨。

6.对掺B 大尺寸金刚石单晶的拉曼光谱和电学性质进行测试分析。

人造金刚石的制备方法及其超高压技术摘要：金刚石具有完整的晶型、强度高、良好的自锐性等特点，成为已知自然界硬度最高的物质。

同立方氮化硼、碳化钨、刚玉、石英等硬质材料相比，它的洛氏硬度、显微硬度、莫氏硬度都具第一位。

金刚石工具在磨削时，金刚石抵抗损坏的能力表示强度。

天然金刚石作为一种稀缺矿产资源，长期以来不能满足人们的生产需求，因此，将廉价的碳转化成金刚石的制备科学与超高压技术便成为广大科研工作者的研究热点。

基于此，本文主要对人造金刚石的制备方法及其超高压技术进行分析探讨。

关键词：人造金刚石；制备方法；超高压技术1、前言由于地心引力场的存在，导致地球内部处于高温高压状态，其最高压力约为３７０ＧＰａ。

地球内部的高温高压环境为矿物质的形成提供了条件，金刚石就是在高温高压环境下形成的。

一般认为天然金刚石是在地壳深部７０ｋｍ以下，在５～７ＧＰａ、１２００～１８００℃的自然条件下，由碳转变而成。

金刚石具有极其优良的力学、热学、光学、电学以及化学性能，广泛地应用在工业、科技、国防、医疗卫生等很多领域，需求量较大。

２、人造金刚石的制备方法２．１高压法２．１．１静压法静压法是指利用液压机产生压力，通过固态传压介质的变形产生腔体准静水压，通过电流加热产生腔体高温，从而进行金刚石人工制备的方法。

静压法可以随意调节保温和保压时间，可以根据需要控制晶体粒度、质量和晶形等，具有很强的操控性，是目前普遍使用的金刚石人工制备方法。

（１）工业金刚石的人工制备现今，大规模工业化生产工业金刚石最有效的方法是高温高压下的膜生长法。

在膜生长法中，作用在金属膜两侧的温度差可以忽略不计，金刚石的生长驱动力（过剩溶解度）与过剩压成正比，当石墨的浓度趋于过饱和状态时，金刚石成核生长。

在金刚石晶体外侧包有一层薄的金属膜，介于金属膜两侧的分别是石墨和金刚石。

在采用膜生长法、利用粉末触媒合成工业金刚石的过程中，关键技术主要有两方面：一是组装与合成工艺的合理匹配，二是原材料的合理选择。

第53卷第2期2024年2月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALSVol.53㊀No.2February,2024高温高压合成掺杂金刚石研究进展郝敬林1,2,邓丽芬2,王凯悦1,宋㊀惠2,江㊀南2,西村一仁2(1.太原科技大学材料科学与工程学院,太原㊀030024;2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所,海洋材料及相关技术重点实验室,浙江省海洋材料与防护技术重点实验室,宁波㊀315201)摘要:金刚石具有超高热导率㊁宽禁带等优点,通过掺杂引入电子和空穴等缺陷,提升载流子浓度,可以使金刚石具有适合半导体应用的电导率,被称为第三代终极宽禁带半导体材料㊂本文首先介绍了金刚石单晶的高温高压合成方法,接着系统综述了基于高温高压法的金刚石掺杂研究现状和发展,然后分析了N㊁B㊁P和S等单元素掺杂及多元素共掺杂对金刚石晶体生长和电学性能的影响,并且对第一性原理计算研究金刚石掺杂进行了分析总结㊂高温高压退火可以有效改变金刚石中掺杂元素与空位等缺陷组合和分布状态,本文明晰了金刚石中含氮色心形成的原因及高温高压退火对色心的调控机制㊂最后对金刚石掺杂以及掺杂后金刚石的光学性能和电学性能研究前景进行了展望,指出可进一步探索多元素共掺杂的理论与实验方法,对提升掺杂金刚石性能具有重要意义㊂关键词:金刚石;高温高压;掺杂;含氮色心;退火;第一性原理计算中图分类号:O78;TQ163㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1000-985X(2024)02-0194-16 Synthesis of Doped Diamond by High-Pressure andHigh-Temperature:a ReviewHAO Jinglin1,2,DENG Lifen2,WANG Kaiyue1,SONG Hui2,JIANG Nan2,KAZUHITO Nishimura2(1.School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan030024,China;2.Zhejiang Key Laboratory of Marine Materials and Protective Technologies,Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies,Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Ningbo315201,China) Abstract:Diamond possesses an ultra-high thermal conductivity and a wide band-gap.Its electrical resistance could be adjusted for the semiconductor application by increasing the electron and vacancy content introduced by doping different elements.Therefore,diamond is thought to be the final wide band-gap semiconductor materials.This paper firstly introduces the synthesis of diamond by high-pressure and high-temperature(HPHT)method,and then systematically reviews the current status and developments of diamond doping by HPHT.The effects of single-element doping,such as N,B,P,and S,as well as multi-elements co-doping in the diamond crystal growth and its electrical properties are analyzed.In additional,this paper summaries the study diamond doping using first-principle calculation.HPHT annealing could effectively change the combinations of doped elements and the associated vacancies and their distribution.This paper reviews the adjustment of nitrogen-related color centers in diamond by HPHT annealing,elucidating the formation mechanisms of various nitrogen-related color centers.Finally,This paper prospects the potential optical and electrical properties of doped diamonds,highlighting the importance of theoretical calculations and experimental methods for multi-element co-doping investigation to enhance the performance of doped diamonds.Key words:diamond;HPHT;doping;nitrogen-vacancy center;annealing;first-principle calculation㊀㊀收稿日期:2023-08-16㊀㊀基金项目:国家重点研发计划(2022YFB3706602,2021YFB3701801);宁波市重点科技项目(2022Z191);宁波市甬江人才引进计划(2021A-037-C,2021A-108-G);中国科学院青年基金(JCPYJ-22030);宁波市重大科技攻关专项(2021ZDYF020196);中国科学院项目(ZDKYYQ2020001)㊀㊀作者简介:郝敬林(1998 ),男,江苏省人,硕士研究生㊂E-mail:haojinglin@㊀㊀通信作者:邓丽芬,博士,教授级高工㊂E-mail:denglifen@王凯悦,博士,教授㊂E-mail:wangkaiyue8@宋㊀惠,博士,副研究员㊂E-mail:songhui@㊀第2期郝敬林等:高温高压合成掺杂金刚石研究进展195㊀0㊀引㊀㊀言金刚石是一种重要的功能材料,其高硬度(60~120GPa)[1]㊁高热导率(20W㊃K-1㊃cm-1)[2]㊁宽波段透光率和较高的介质击穿场强(5~10MV/cm)[2]等性能使其在大功率半导体热沉片[3]㊁高端光学窗口[4]等领域得到广泛应用㊂纯净的金刚石是良好的绝缘体,晶体内无自由电子,具有宽禁带(5.47eV)[2],因而电阻率很高㊂但是当金刚石中有其他掺杂元素存在时,电阻率会大幅下降,成为半导体材料㊂随着信息产业化的发展,对半导体材料提出了更高的要求,常规的半导体材料已经不能满足市场的需求,金刚石的优异性能使其在半导体领域有广阔的应用前景[3]㊂金刚石的合成方法主要分为高温高压(high pressure and high temperature,HPHT)法[5]和化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法[6]㊂其中,高温高压法采用温度梯度(temperature gradient method, TGM)[7]控制碳溶解㊁扩散和再结晶在籽晶上生长㊂高温高压法合成过程中易于添加不同物质,从而将不同元素掺杂进入金刚石晶格,因此成为研究金刚石掺杂的主要方法㊂通过元素掺杂发掘金刚石的功能特性,可拓宽其应用范围㊂除了高温高压法外,其他一些方法也可以实现金刚石的掺杂,比如CVD法㊁电子束辐照法和离子注入法等㊂但是,CVD法的掺杂元素受限,很多元素例如Ge等金属元素由于其自身特性难以被掺入㊂另外,CVD法掺硼通常需要采用有剧毒的硼烷气体,因而掺硼金刚石的应用受到限制㊂离子注入法掺杂则对晶格的破坏较大㊂综合而言,高温高压是一种较为成熟和有效的金刚石掺杂方法㊂为了突破金刚石在电学㊁光学等方面的应用限制,研究人员尝试通过掺杂改变其性质,进而拓展其应用范围,尤其是电学应用,可以分别通过施主杂质和受主杂质掺杂来制造低电阻率n型和p型金刚石㊂金刚石的掺杂元素目前主要有B㊁N㊁S㊁P等,其中,硼原子半径较小,硼掺杂p型半导体金刚石在理论和实验方面都取得了进展,而且随着电学性能的改善,可以利用线切割对其进行加工,为金刚石刀具加工提供了途径㊂对于p型硼掺杂金刚石,掺入0.1%(摩尔分数,下同)的硼源后其电阻率最小已达到10-2Ω㊃cm[8],仅就电阻率而言已达到器件制作的要求㊂然而宽带隙材料难以实现两级掺杂[9],目前电阻率最低的n型金刚石只能达到102Ω㊃cm[10],因而极大地限制了金刚石在电学领域的应用,金刚石的n型掺杂比p型更具挑战性[11]㊂近年来,为了在金刚石的n型掺杂方面取得进展,研究者主要致力于N㊁P㊁S等元素的掺杂研究[12]㊂本文在对高温高压合成金刚石大单晶的基本原理及工艺进行介绍的基础上,对金刚石的元素掺杂及其电学与光学性质等研究进展进行了归纳总结,分析了当前研究的热点问题,以便更好了解行业的发展状况㊂1㊀金刚石合成方法石墨与金刚石都是碳的同素异形体,在碳的压强-温度(pressure-temperature,P-T)相图中都有所表现[13],图1分别展示了金刚石和石墨的稳定区㊂在高温高压条件下,金刚石单晶的生长是通过石墨到金刚石的相变实现的㊂石墨经过高温高压作用后会变成金刚石,并在金刚石种子上沉积形成新的金刚石单晶㊂因此,金刚石单晶的生长需要有适当的种子晶体作为生长的起点㊂1970年,美国通用电气公司(GE)在高温高压下利用温度梯度法合成金刚石大单晶,成为材料领域的重要突破[7]㊂迄今为止,温度梯度法仍然是目前国内外合成金刚石大单晶最为常见和有效的方法㊂石墨作为碳源位于腔体中的高温端,晶种位于低温端㊂由于两者之间存在温差而形成了温度梯度㊂在高温高压下,高温处的碳源转化为金刚石,并在一定温度梯度的生长驱动下从高温端向低温端扩散,并在低温区的晶种处结晶析出(见图2)㊂温度梯度法的生长驱动力与轴向温度梯度成正比,可以通过调整金刚石合成块的组装结构,进而把控温度梯度的生长驱动力,实现对合成金刚石生长速度的控制[14]㊂196㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷图1㊀碳元素的P-T 相图Fig.1㊀P-T phase diagram of carbon element 图2㊀温度梯度法原理示意图[15]Fig.2㊀Schematic diagram of diamond synthesis by temperature gradient method [15]2㊀金刚石单晶的掺杂金刚石单晶掺杂主要分为两种类型:替位式掺杂和间隙式掺杂[16]㊂替位式掺杂是将金刚石中的一些碳原子替换成其他原子,如氮㊁硼㊁硅等㊂目前针对金刚石薄膜的掺杂在国内外研究较多,而对高温高压下金刚石大单晶的掺杂研究较少㊂金刚石常见的掺杂形式有单元素掺杂和多元素协同掺杂,其中,单元素掺杂的掺杂剂可以使是单质,也可以是化合物,而多元素掺杂有双掺或三掺,主要以双掺为主㊂2.1㊀金刚石单一掺杂2.1.1㊀硼掺杂硼原子半径小,容易进入金刚石内部,因此在掺杂p 型半导体金刚石薄膜[17]的研究中有大量关于掺杂硼的文献并获得了实际应用[18]㊂对于掺硼金刚石单晶来说,硼的添加会对金刚石单晶的形貌和电学性能产生影响㊂2005年,张健琼等[19]通过加入无定形硼粉,在高温高压下成功合成出掺硼金刚石单晶,并且晶体中硼的含量随着合成温度的升高而降低㊂在合成过程中硼元素优先从金刚石的{111}扇区进入晶体,在扇区内部金刚石的生长速度逐渐减小,硼元素扩散逃离可用时间越来越长,最终导致硼元素含量不均匀,呈内多外少的分布规律[20]㊂掺硼金刚石单晶的晶体特征如表1所示㊂表1㊀掺硼宝石级金刚石单晶的晶体特征[20]Table 1㊀Crystal characteristics of boron-added gem-quality diamond single crystals [20]SampleGrowth crystal phase Boron (mole fraction)/%Growth time /h Crystal weight /mg Crystal size /mm a {100} 1.03 1.1 1.3b{100} 2.51032.2 3.4c {111} 1.03128.5 5.4d {111} 2.51071.9 4.4在(100)面生长掺单质硼的金刚石单晶时,晶体表面呈现出黑色三角形的对称区域,不同区域的硼含量存在差异㊂随着硼添加量的增加,{111}面的生长区域变宽,而{100}面的生长区域变窄直至几乎消失[21]㊂此外,在{100}㊁{111}和{311}扇区内也存在不均匀性㊂通过PL 光谱可以发现,与硼和氮有关的缺陷以及与空位相关的缺陷集中分布在与生长区边界相交的辐照区㊂在{311}扇区发现了在富B 和富N 生长之间交替的带,639㊁651和658.5nm 处的B 相关中心在{311}扇区中比在{100}或{111}扇区中更强㊂648nm 中心在富B 的{111}扇区中最强,在{311}扇区中较弱,在{100}扇区中更弱(见图3)[22]㊂硼掺杂金刚石单晶的掺杂效果主要表现为导电性的改变㊂在高温高压下,硼原子取代金刚石单晶中的碳原子,形成硼掺杂金刚石单晶㊂硼原子的加入使金刚石单晶中的空穴浓度增加,从而提高了材料的导电性㊂硼掺杂金刚石单晶的导电性与硼的浓度和掺杂方式有关,通过控制硼源的含量和反应条件,可以实现不㊀第2期郝敬林等:高温高压合成掺杂金刚石研究进展197㊀同浓度和不同类型的硼掺杂金刚石单晶㊂高温高压技术可以实现高表面积㊁低材料电阻和多孔电极结构,通过循环伏安法(cyclic voltammetry)可以证明掺硼金刚石的电极具有比非多孔电极更高的双层电容[23]㊂使用密度泛函理论(DFT)对重掺杂硼金刚石进行电子结构计算,结果表明B中心之间的相互作用直接决定了空穴的密度,对费米能级的位置和电子行为有着重要影响㊂当温度降到临界温度时,理论计算显示出向超导体转变的趋势,而且临界温度和B的浓度相关[24]㊂虚拟晶体近似法也正确地预测了硼掺杂金刚石中电子-声子耦合的主要特征,为这种材料的超导性提供了一个非常简单和直观的解释,提出了通过具有强共价键的空穴掺杂材料寻找高温超导体的有用的新途径[25]㊂Shakhov等[26]使用Ni-Mn催化剂在高压高温条件下合成的掺硼金刚石室温电导率可达1Ω-1㊃cm-1,但是由于硼对金刚石生长的阻碍作用和杂质化合物的存在而未实现超导电性㊂重掺硼金刚石单晶的超导性能研究前景广阔,值得深入研究㊂图3㊀488nm激发下的PL光谱[22]Fig.3㊀PL spectra under488nm laser excitation[22]2.1.2㊀氮掺杂氮是金刚石中最为常见的杂质元素,根据金刚石中氮含量的不同可以将其分为I型金刚石和II型金刚石,如表2所示㊂表2㊀金刚石的分类及性质[27]Table2㊀Classification and properties of diamond[27]Type Nature diamond Nitrogen impurities/10-6Color Resistance/(Ω㊃cm) Ia98%2ˑ103aggregate state Colorless,yellow104~1016Ib0.1%10~103dispersive state Yellow,brown104~1016IIa1%~2%<1Colorless104~1016IIbʈ0%<1,B-doped Blue10~104氮在金刚石晶体中有多种存在形式,氮原子与由辐射损伤引入的空位形成了多种缺陷中心,从而导致金刚石呈现不同颜色,所以通常被称为色心,如表3所示㊂杂质引起的色心主要包括:C中心(孤氮中心)[28-29]㊁A中心和B中心[28,30]㊁N3-N2中心[31-32]㊂其中A中心和B中心不直接影响金刚石的颜色,又称为198㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷 间接色心 ㊂辐射损伤引起的色心主要包括:GR1中心[28,33]㊁595中心[28-29]㊁H3和H4中心[28-29]㊁3H中心[29,34]㊁N-V中心[28]㊁NDl中心[35]㊁S1中心[35]等㊂其中,部分色心(如孤氮中心)直接成为金刚石颜色的诱导因素,有些色心组合的形成致使金刚石呈色㊂表3㊀金刚石氮杂质中心Table3㊀Diamond N impurity centersDefect centerλmax/nm Color ReasonC-center560Yellow Caused by impurities[28-29]N3-center415.5Yellow Caused by impurities[31-32]N2-center478Yellow Radiation damage[31-32]GR1-center741Blue,green Radiation damage[28,33]595-center425Yellow High temperature annealing600~800ħafter radiation damage[28-29] H3-center503Yellow,brown High temperature annealing800ħafter radiation damage[28-29] H4-center496Yellow,brown High temperature annealing800ħafter radiation damage[28-29] 3H-center504Yellow Heat treatment after radiation damage350~400ħ[29,34]NV0-center575Pink Radiation damage[28]NV--center637Pink,red Radiation damage[28]NDl-center388 Radiation damage[35]S1-center515~520Blue-green,yellow-green Radiation damage[35]氮在常温下以气体形式存在,所以氮的化合物常用来作为掺杂所用的氮源㊂常见的氮源有NaN3㊁C3H6N6和Fe3N等㊂通过向石墨和铁粉中添加叠氮化钠(NaN3),成功地将氮掺杂到了金刚石中,合成了氮浓度高达(1000~2200)ˑ10-6的金刚石单晶,其氮含量与天然金刚石相同[36]㊂金刚石中的氮浓度随着NaN3含量的增加而增加,但是当NaN3的含量增加到0.7%~1.3%(摩尔分数,下同)时,金刚石中的氮浓度几乎保持在1250ˑ10-6至2200ˑ10-6的范围内㊂同样,使用C3H6N6合成的金刚石的最高氮含量为2300ˑ10-6,其分解的氮效应降低了金刚石的生长速率并将其颜色改变为绿色[37]㊂NaN3和C3H6N6掺杂含量与氮含量的对应关系如图4所示,NaN3的掺杂含量在0.5%之前阶段氮含量持续增高,0.5%~0.7%阶段氮含量降低,1.0%前后变化趋势也存在此类情况㊂而C3H6N6则是随着掺杂含量的增加,氮含量稳步升高到2300ˑ10-6,仍未见饱和平台区出现㊂根据以上情况,若是合成高氮金刚石单晶,则选择C3H6N6作为掺杂剂可实现更高的氮含量㊂合成压力和退火时间不足导致氢不被金刚石吸收,随着C3H6N6含量的增加,金刚石的颜色由黄色变为绿色㊂拉曼光谱表明,以C3H6N6为掺杂剂合成的金刚石晶体缺陷较少,实验结果如表4所示㊂为了研究氮浓度对金刚石结晶过程和金刚石晶体结构的影响,Palyanov等[38]在Fe-Ni系统中加入Fe3N和CaCN2两种不同的氮浓度增长体系㊂在金刚石的热力学稳定性范围内,随着金属熔体中氮浓度的增加,位错㊁孪晶片层和内部应变的密度增加㊂当氮浓度高于某一临界值(0.4%)时,金刚石的成核和生长终止,石墨结晶㊂表4㊀掺杂C3H6N6金刚石在5.6GPa作用下处理11h的实验结果[37]Table4㊀Experimental results of doped C3H6N6diamond treated for11h in the presence of5.6GPa[37]Sample Temperature/K C3H6N6/%Morphology Growth rate/(mg㊃h-1)a15130(100)+(111)+(110)8.72b15130.05(100)+(111)+(110) 6.11c15130.10Twin crystal 2.57d15130.15(100)+(111) 1.80e15130.20(100)+(111) 1.65f15130.25(100)+(111) 1.06a 15530(100)+(111)+(110)7.93b 15530.05(100)+(111)+(110) 6.53c 15530.10Twin crystal 5.88d 15530.15(100)+(111) 3.69e 15530.20(100)+(111) 2.33f 15530.25(100)+(111) 1.15㊀第2期郝敬林等:高温高压合成掺杂金刚石研究进展199㊀图4㊀NaN3和C3H6N6掺杂含量与氮含量的关系[36-37]Fig.4㊀Relationship between NaN3and C3H6N6doping content and nitrogen content[36-37]由于高氮含量金黄色金刚石的稀有和广受欢迎,以及色心NV-的量子效应,金刚石的氮掺杂研究一直是热点,高温高压退火可以改变金刚石中氮状态㊂高氮金刚石((1500~1700)ˑ10-6)在退火后1h内,由于金刚石晶格中氮的聚集,晶体的颜色明显由绿色变到无色(见图5)[39]㊂含氮施主原子在(1500~1600)ˑ10-6的金刚石晶体退火后使原来以单取代态(C中心)排列的氮原子转变为对取代态(A中心),一小部分氮原子仍以C中心形式存在,而一些A中心形式的氮原子进一步转变为N3和H3中心结构[40]㊂退火降低了高氮金刚石中NV-中心的浓度㊂相反,低氮含量的金刚石退火后可产生较高浓度的NV-色心㊂尽管高温高压条件下金刚石中存在许多缺陷的NV色心影响,但低氮含量金刚石在高温高压条件下直接退火是合成NV色心的一种简便方法[41]㊂这些发现对了解氮原子以聚集形式存在的天然Ia型金刚石的形成机制有很大帮助㊂图5㊀高浓度掺氮金刚石晶体的光学图像[39]Fig.5㊀Optical images of highly concentrated nitrogen-doped diamond crystals[39]通过第一性原理计算发现,金刚石中氮以C中心的形式存在会使带隙值(5.5eV)稍有降低,并预测由于C中心引起的光吸收在3eV左右[42]㊂理论上氮掺杂可以引入杂质能级,改变金刚石的导电性和光学吸收性能,从而提高其光学发光效率㊂但是氮在金刚石晶格中能级深,位于导带最小值以下1.7eV处,因而掺氮金刚石电阻率高,难以获得符合要求的n型金刚石半导体材料[43]㊂200㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷2.1.3㊀硫掺杂硫的原子半径大,进入到金刚石晶格中有一定的困难,但硫是研究合成n型半导体金刚石的重要掺杂剂之一㊂通过第一性原理计算对掺杂浓度为3.12500%㊁1.56000%和0.78125%(摩尔分数,下同)的硫掺杂金刚石的能带结构和电子结构的研究发现,不同浓度下能带结构和电子结构的变化基本类似,硫杂质缺陷的电离能为0.3eV,表现为n型导电[44]㊂2011年,周林等[45]在NiMnCo催化体系中成功合成掺杂硫金刚石单晶,合成的金刚石晶体具有完整的{100}和{111}面,内部有少量的包裹体㊂Chen等[46]在Fe-Ni-C体系中加入高纯硫粉合成了硫掺杂的IIa型金刚石单晶,随着硫含量的增加生长速率明显降低㊂合成体系中的硫会促进NV0和NV-中心出现在金刚石晶格中㊂在该系统下合成的硫掺杂Ib型金刚石单晶在沿{111}面生长更容易出现氮空位(NV)中心,氮杂质浓度如表5所示㊂与NV-中心相比,在不添加硫的情况下,Ib型金刚石晶格中不容易生成NV0中心㊂虽然在添加0.25%硫的情况下同时生成NV0和NV-中心,但NV-峰的强度明显高于NV0峰[47],氮空位的光致发光光谱如图6所示㊂表5㊀FeNi-S-C体系合成Ib型金刚石及氮杂质的浓度[47]Table5㊀Synthesis of Ib-type diamond and concentration of nitrogen impurities by FeNi-S-C system[47]Sample S/%Growth face Growth rate/(mg㊃h-1)Nitrogen content/10-6a0{100}0.280151b0.10{100}0.157201c0.25{100}0.070144d0{111}0.186180e0.10{111}0.153230f0.25{111}0.062154图6㊀FeNi-S-C系金刚石晶体的光致发光光谱[47]Fig.6㊀PL spectra of FeNi-S-C system diamond crystals[47]使用四探针和霍尔效应法可以表征掺硫金刚石单晶的电学性能㊂研究发现,随着硫含量的增加(1.0%~4.0%),所合成金刚石单晶的半导体性能也有所提高㊂当金刚石晶胞中的硫含量达到4.0%时,金刚石的电阻为9.628ˑ105Ω㊃cm,为进一步合成n型半导体金刚石提供了依据[48]㊂同样,使用FeS和NiS作为硫源也可以制备出n型半导体金刚石单晶,合成样品的半导体性能也随着硫含量的增加而增强,如表6所示㊂二者制备出的样品最低电阻率分别为8.131ˑ105和11.630ˑ105Ω㊃cm,可见FeS掺杂得到的金刚石单晶电阻率最小[49-50]㊂表6㊀不同硫源掺杂金刚石的电学性能Table6㊀Electrical properties of diamond after doping with different sulfur sourcesSulfur source Doping method Minimum resistivity/(Ω㊃cm)CharacteristicSulfur powder[48]Substitute9.628ˑ105n-typeFeS[49]Substitute8.131ˑ105n-typeNiS[50]Substitute11.630ˑ105n-type㊀第2期郝敬林等:高温高压合成掺杂金刚石研究进展201㊀2.1.4㊀磷掺杂磷的原子半径较大,很难进入金刚石晶格中㊂当磷原子在金刚石晶格中取代一个碳原子时,将会引起晶胞的膨胀,晶格会发生畸变,对金刚石晶胞的构型㊁键型和电荷的空间分布都会产生一定的影响㊂聂媛等[51]选用Fe3P作为磷源进行磷掺杂金刚石单晶的合成,磷源含量和晶体形貌如图7所示㊂随着Fe3P的含量增加,金刚石晶体中氮含量上升,说明磷的进入诱使氮原子更容易进入金刚石晶格中㊂同时,金刚石晶体的颜色逐渐变深,包裹体的数量逐渐增加,晶形由板状转变为塔状直至骸晶,在拉曼光谱下可以看到其半峰全宽变大,晶格畸变增加㊂在FeNiMnCo-C体系中掺入单质磷合成了片状金刚石晶体[52],随着磷含量的增加,金刚石晶体的生长速率逐渐降低,温度区间也明显增大㊂并且通过四点探针和霍尔效应法测试发现磷掺杂金刚石大单晶的最小电阻率为3.561ˑ106Ω㊃cm㊂同样,研究人员以Mn3P2作为掺杂剂在FeNi体系下合成了金刚石晶体㊂Mn3P2的加入改变了催化剂的催化性能,使金刚石晶体生长的V形区在1230~1245ħ明显向右上方移动[53]㊂掺杂后的样品通过电学性能测试表明其电阻率为0.516ˑ106Ω㊃cm,霍尔系数为负,与前者相比电学性能得到了极大的提高,对n型半导体的研究很有帮助㊂图7㊀沿(111)面合成磷掺杂金刚石显微光学照片[51]Fig.7㊀Micro-optical photograph of P-doped diamond synthesized along(111)surface[51]通过第一性原理的方法计算了磷掺杂浓度的金刚石晶格的电子结构[54]㊂不同浓度磷原子取代碳原子前后的杂质激活能及总能量差的变化如表7所示,一个磷原子取代一个碳原子所引起的能量差值(ΔE=E2-E1)随着掺杂磷原子浓度的增加而降低,可能是由于掺杂元素浓度的升高使得晶格膨胀加剧,原子间的松弛引起了一部分电子和原子核之间的相互作用减弱㊂杂质原子的掺杂浓度越高金刚石晶格的膨胀越严重,晶体里的sp3杂化的碳键就越不稳定,越容易向sp2碳键转化㊂虽然高掺杂时可以获得合适的电导率,但会严重损伤金刚石晶格[54]㊂磷掺杂的n型金刚石半导体材料的载流子浓度和电子迁移率相对较低,导致其电阻率较高,因此需要进一步研究以获得具有良好电学性能的n型金刚石半导体材料㊂掺磷金刚石单晶的合成研究较少,尤其是磷与其他元素共掺杂合成方面的研究需要加强㊂表7㊀磷掺杂金刚石晶格的能量变化[54]Table7㊀Energy variation of P-doped diamond lattice[54]Number of cell atom Total energy before doping,E1/eV Total energy after doping,E2/eV Energy difference,ΔE/eV 16-2.478ˑ103-2.498ˑ103-0.0195ˑ10324-3.717ˑ103-3.737ˑ103-0.0193ˑ10332-4.957ˑ103-4.976ˑ103-0.0191ˑ10348-7.435ˑ103-7.454ˑ103-0.0190ˑ10364-9.913ˑ103-9.932ˑ103-0.0188ˑ10372-1.115ˑ103-1.117ˑ103-0.0189ˑ10396-1.487ˑ103-1.489ˑ103-0.0187ˑ103 2.1.5㊀其他单元素掺杂除了上述的四种常见的元素外,还有很多元素可以进行掺杂㊂Sittas等[55]在高温高压条件下首次合成掺硅金刚石单晶,并且只有在IIa型金刚石中才能发现掺杂的硅空位㊂对{001}㊁{111}㊁{113}生长区进行202㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷光谱分析,发现硅中心的分布很不均匀,硅中心的发射强度不依赖于生长扇区㊂硅粉加入到镍基金属催化剂后,随着硅含量的增加,金刚石内部夹杂物从点状到片状再到串状分布,最终难以生长出完整的晶体[56]㊂硅的加入不仅增加了晶体内部的应力,使金刚石的结晶质量变差,而且也降低了金刚石中氮的浓度㊂同时,生长体系中的氮杂质也阻碍了金刚石中硅的有效掺杂㊂同样,在Ni-Mn-C体系中也可以将镁作为掺杂剂来评价其对晶体生长机制和缺陷的影响㊂如表8和图8所示,当Mg的含量为2%(摩尔分数,下同)时,金刚石晶体表面平整,有利于其在刀具中应用㊂添加3%和4%Mg的样品没有出现任何明显的变化,添加量为5%时晶体出现了夹杂物,这表明镁的添加量确实影响这些晶体表面缺陷的数量㊂在所用的高温高压参数下,晶体结构普遍为八面体㊂当Mg的含量为2%时,晶体产率较高,3%~5%的成核速率较小,生长速率降低[57]㊂表8㊀掺Mg样品在(1250ʃ50)ħ条件下的晶体参数[57]Table8㊀Crystal parameters of Mg-doped samples at(1250ʃ50)ħ[57]Sample Mg/%Crystal weight/mg Growth rate/(mg㊃h-1)a10.223 4.46b20.124 2.48c30.052 1.04d40.099 1.98e50.278 5.56图8㊀不同镁掺杂量金刚石晶体的SEM照片[57]Fig.8㊀SEM images of diamond crystals with different amounts of Mg doping[57] Palyanov等[58]在Mg-Ge-C体系下成功地合成了Ge掺杂单晶金刚石,在光致发光光谱中存在大量的2.06eV的Ge-V中心,如图9(a)所示㊂在该体系中加入的Ge抑制了金刚石自发成核的强度,从而可以通过晶种生长出相对较大(2~3mm)的金刚石单晶㊂在不同的合成条件下,合成的金刚石晶体从2.06eV中心到一级拉曼散射线的光致发光强度范围可达几个数量级,证明了Mg-Ge-C体系生长同位素修饰锗掺杂的块体低应变金刚石晶体的可行性,为进一步研究金刚石中锗相关色心的性质及其作为单光子源的可能应用提供了依据㊂2019年,相关研究人员在FeSnAl-C㊁Sn-(Ti,Al,Zr)-C和Sn-Mg-C三种条件下进行锡的掺杂对比实验[59]㊂研究发现,由Fe-Sn-Al组成的Fe基催化剂合成的金刚石没有与Sn相关的光学中心,在Sn-C系统中证实了在生长过程中Sn原子在金刚石晶格中的掺入原则上是可能的,但是生长系统中的氮杂质阻碍了Sn的有效掺杂,而且这些氮杂质很难用除氮剂消除㊂用Sn-Mg催化剂合成的金刚石单晶在光致发光光谱中显示出明显的Sn-V色心特征,如图9(b)所示㊂高温高压下成功合成了Sn掺杂金刚石,在量子技术应用中取得进一步进展㊂。

人工合成金刚石的方法人工合成金刚石是一种人工制备的金刚石，通过一系列的化学和物理过程重新创造了自然界中存在的矿物。

金刚石是一种非常硬的材料，具有许多优异的物理特性，因此在工业领域有广泛的应用。

制备金刚石的方法有许多种，接下来我将详细介绍几种常用的人工合成金刚石的方法。

1.高温高压法高温高压法是最早且最常用的人工合成金刚石方法之一。

该方法是在高温（约1500℃）和高压（约5-7G P a）的环境下，将含有金刚石生成元素（如碳）的混合物放置在高压金刚石电池中，然后通过加热和施加高压来触发金刚石的生长。

高温高压法的主要原理是利用高温高压环境下的物质相变规律，使含碳原料中的碳发生转化，从而生成金刚石。

2.化学气相沉积法化学气相沉积法是另一种常用的人工合成金刚石的方法。

该方法通过在真空或轻微惰性气氛中，将含有金刚石生成气体的混合物（如甲烷和氢气）通过加热传送到底板上，通过化学反应使金刚石成核并生长。

化学气相沉积法的优点是可以在相对较低的温度和压力下制备金刚石，操作相对简单。

3.爆炸法爆炸法是一种较为特殊的人工合成金刚石的方法，它是通过在百万分之一秒的时间里产生极高的温度和压力来合成金刚石。

该方法通常使用硝酸铵和含碳原料（如石墨）作为混合物，在高温和压力下引爆混合物，从而产生极端的条件，促使金刚石的生成。

4.微波化学气相沉积法微波化学气相沉积法是近年来发展起来的一种人工合成金刚石的新方法。

该方法利用微波辐射加热金刚石生成混合物（如甲烷和氢气），使其在低温下发生化学反应生成金刚石。

相比于传统的化学气相沉积法，微波化学气相沉积法具有更高的效率和更低的能耗。

除了以上几种常用的方法外，还有其他一些方法也可以用于人工合成金刚石，如溶胶-凝胶法、火焰沉积法等。

这些方法各有优缺点，适用于不同的应用场景。

无论哪种方法，人工合成金刚石的关键是要提供适当的温度、压力和化学环境，以促进金刚石的生成。

此外，控制金刚石的形状和大小也是制备过程中需要考虑的因素。

△高温高压合成金刚石用之触媒▲top 合成金刚石是碳的同素异构体的相变过程，由于触媒的参与使金刚石合成之压力与温度大大降低，实现了人造金刚石的工业生产。

从大量的试验与研究上看，凡在高压高温下不能侵润石墨的金属均不能作为触媒。

一般来说，作为合成金刚石的触媒必须对非金刚石碳有较大的溶解度和活化能力，以便为金刚石的生长提供充足的碳源，同时触媒还必须具有活化或输送碳原子C的能力，而且不形成碳化物等。

现在，合成金刚石的触媒逐渐转向多组元合金，这不仅使合成金刚石的温度与压强进一步拓宽，而且使合成工艺也更容易掌握。

另外，通过变更合金组元，特别是添加某些微量元素，还可能赋予金刚石一些特殊的性能。

在其它条件不变的情况下，不同触媒所合成金刚石的晶形、杂质分布也各有特点，因此改进触媒是提高金刚石质量和产量的有效途径。

高压高温间接静压合成金刚石用的触媒在形态上有两种，一种是片状触媒，另一种十分状触媒，它们与石墨碳源的形态相匹配。

使用片状触媒，相应的石墨也制成片状。

粉状触媒使用的石墨也是粉状的，二者经充分混合，压制成形后进行高压高温之合成。

用粉状触媒生产磨料级金刚石有突出的优点，它克服了片状触媒利用率低的缺点，其组分也易于调节。

粉状触媒可与石墨粉料充分混合，接触面积大，能够大幅度提高合成单产，例如使用直径为18mm 的合成腔体，单产突破2000mg（10carat）是没有问题的。

目前市场上出现的粉状触媒为镍锰钴Ni Mn Co 合金。

粉状触媒存在的问题是在生产、贮运中的氧化现象。

预计粉状触媒的研究和生产将会有进一步发展。

工业上合成经昂诗常用的触媒主要有镍Ni基、铁Fe基和钴Co基三个合金体系。

合成金刚石的生产与触媒密切相关，现将使用不同触媒生产金刚石的工艺参数列于表8－1。

适用于两面顶砧压力机.镍Ni基触媒合成所要求的压力和温度容限宽,产品综合性能好,故在国产六面顶砧压力机上得到普遍采用.表8－1 不同触媒合成金刚石的工艺参数之对比我国触媒开发研究基本沿着"粗粒度高强度用"和"高产磨料用"二个方向发展,尤其是前者开发前景较佳,现在市场上畅销的触媒均属此类.一镍锰钴NiMnCo合金触媒合成粗粒度金刚石触媒的代表产品是镍锰钴NiMnCo合金,1992年我国的总消耗量约为300t,他的一个突出优点是工艺适应性强,使用方便、可靠。

高温高压合成金刚石的工艺高温高压合成金刚石的工艺引言：金刚石是一种非常重要且广泛应用的超硬材料，具有出色的物理和化学性质。

高温高压合成金刚石工艺是目前制备金刚石的主要方法之一。

本文将介绍高温高压合成金刚石的基本原理、工艺流程以及对其进行的改进。

一、高温高压合成金刚石的基本原理高温高压合成金刚石是利用静压装置和高温炉对碳源和金属催化剂进行加热和压制，通过超高压和高温下，使碳与金属反应从而形成金刚石。

该过程主要依靠碳源的高温高压下的热学和动力学条件以及金属催化剂的催化作用。

二、高温高压合成金刚石的工艺流程1. 材料准备：准备金刚石合成所需的原料，主要包括碳源（例如石墨）、金属催化剂（如铁、钴）以及溶剂（如钴、霓虹气体）等。

2. 压制装备搭建：搭建静压装置，将所需材料置于高压容器中，并将容器密封。

3. 进行高温高压处理：通过扩散法和液相法制备金刚石，利用高温高压，将碳和金属催化剂反应生成金刚石。

4. 降温和压力释放：待金刚石合成完成后，将高温高压装置自然冷却，降温至室温，并释放容器内部压力。

5. 金刚石材料处理与加工：取出合成的金刚石材料，进行后续的形状修整、切割、抛光等处理。

三、高温高压合成金刚石的工艺改进1. 压制条件优化：通过改变压力、温度、时间等参数，优化合成金刚石的质量和产率。

2. 添加助熔剂：在高温高压过程中，添加助熔剂可以降低石墨结构中的晶界能量，从而促进金刚石的形成。

3. 催化剂设计：改进金属催化剂的种类和组成，提高合成金刚石的效率和质量。

4. 新型杂质控制：通过控制合成过程中的杂质含量和分布，减少合成金刚石中的缺陷和不纯物质。

5. 辅助技术应用：引入电磁场、超声波等辅助技术，提高金刚石合成的效果和速度。

四、高温高压合成金刚石的应用1. 工具领域：高速切削工具、磨料、磨具等。

2. 光学领域：窗口材料、透镜、激光器元件等。

3. 电子领域：半导体材料、电子器件、芯片加工等。

4. 超硬材料领域：用于加工高硬度材料的切削工具、磨料工具等。

优质细颗粒金刚石单晶的高温高压合成与表征一、绪论1. 金刚石的介绍2. 高温高压合成的背景和意义3. 高温高压合成细颗粒金刚石单晶的研究进展二、高温高压合成细颗粒金刚石单晶的实验方法1. 实验装置和工艺流程2. 合成条件的优化3. 实验结果的分析和解释三、细颗粒金刚石单晶的结构表征1. X射线衍射分析2. 红外光谱分析3. Raman光谱分析四、细颗粒金刚石单晶的物理性质测试1. 压缩模量测试2. 磨损性能测试3. 光学性质测试五、应用展望1. 细颗粒金刚石单晶在超硬材料领域的应用2. 细颗粒金刚石单晶在电子学和生物医学领域的应用3. 可能存在的未来研究方向和挑战六、结论1. 细颗粒金刚石单晶的高温高压合成技术可行性的评估2. 实验结果的综合分析和总结3. 细颗粒金刚石单晶的应用前景和发展趋势参考文献一、绪论1. 金刚石的介绍金刚石是一种常见的超硬材料。

它的硬度是自然界中最高的，约为Mohs硬度等级的10级。

由于其极高的硬度和优异的物理性能，金刚石已经被广泛应用于许多领域，如采矿，钻井，冶金，电子学和生物医学等。

2. 高温高压合成的背景和意义高温高压合成技术是一种重要的制备超硬材料的方法。

该方法利用高温高压条件下原料的高度压缩形成单晶体，可制备出优质金刚石单晶。

随着科学技术的不断发展和应用的不断扩展，对高温高压合成技术的要求也越来越高。

因此，完善高温高压合成技术的制备过程和性能研究，对于推动超硬材料的发展和应用具有重要的意义。

3. 高温高压合成细颗粒金刚石单晶的研究进展细颗粒金刚石单晶已经成为研究热点。

目前，以晶体质量为前提，主要采用高温高压技术进行细颗粒金刚石单晶的制备，其中正压法和反应堆法是两种主要的制备方法，而产物性能的研究主要包括晶体结构、红外光谱和Raman光谱等。

同时，还有许多研究致力于发展更加先进的制备方法和研究细颗粒金刚石单晶的应用。

综上所述，高温高压合成技术是制备细颗粒金刚石单晶的重要手段。

高温高压法合成金刚石过程高温高压法合成金刚石过程引言：金刚石作为一种重要的超硬材料，具有极高的硬度和热导率，广泛应用于工业和科学领域。

然而，金刚石在大自然中的生成非常罕见，因此，人工合成金刚石成为了满足市场需求的重要途径之一。

其中，高温高压法合成金刚石是最常用的方法之一。

一、高温高压法合成金刚石的原理高温高压法合成金刚石是通过模拟地球深部的高温高压条件，在实验室中促使石墨发生结构转变，形成金刚石晶体。

该反应基于以下两个原理：1. 高温条件：金刚石的形成需要极高的温度条件，通常在1500°C～2500°C之间。

这是因为石墨的结晶结构比金刚石的结构更稳定，而高温能够打破石墨结构，并促使分子重新排列，形成金刚石晶体。

2. 高压条件：金刚石的形成还需要极高的压力条件，通常在50,000大气压（5GPa）以上。

在高压下，石墨的原子之间的距离会变得更近，从而促使原子重新排列形成金刚石晶体。

二、高温高压法合成金刚石的步骤高温高压法合成金刚石的过程通常包括以下几个步骤：1. 准备石墨和金刚石种子：首先，需要准备高纯度的石墨粉末和金刚石种子。

石墨粉末应该具有高度结晶的纯度，并且没有其他掺杂物。

金刚石种子通常是由天然金刚石晶体制备而成。

2. 反应室装填：将石墨粉末和金刚石种子放入反应室中，并加入金属催化剂，如钴、镍或铁。

金属催化剂在反应中起到促进石墨结构转变的作用。

3. 加热：将反应室置于高温炉中，升温至所需的温度。

一般情况下，加热速度较慢，以确保温度均匀分布。

4. 施加压力：加热后，开始施加极高的压力。

通常使用的压力来源是金刚石压机，它能产生足够的压力将石墨转变为金刚石。

5. 保持温度和压力：在一定的时间范围内，保持所需的温度和压力，使金刚石晶体得以长大。

通常，该过程需要几分钟到数小时的时间。

6. 冷却和释放压力：保持温度和压力一段时间后，将反应室从高温高压环境中取出，迅速冷却至室温，并释放压力。

静压触媒法合成金刚石全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：静压触媒法是一种制备金刚石的方法，是当今世界上最为重要的合成金刚石的方法之一。

静压触媒法是通过在高温高压条件下，使用金刚石的晶体作为种子，在其表面生长新的金刚石晶体。

这种方法在全球范围内被广泛应用于工业生产和科学研究领域。

静压触媒法合成金刚石的过程中，需要将金刚石种子、碳源和金属触媒放入高温高压的反应室中。

然后在高温高压条件下，触媒催化碳源分解生成碳原子，并在金刚石种子表面生长新的金刚石晶体。

整个过程需要较高的温度和压力，通常在数千摄氏度和几十兆帕的条件下进行。

静压触媒法合成金刚石的过程比较复杂，需要精密的设备和专业的操作技术。

首先是反应室的设计，需要能够承受较高的温度和压力，并能够确保反应过程的安全和稳定。

其次是原料的选择和配比，需要确保金刚石种子的质量和碳源的纯度，以及金属触媒的适量和均匀分布。

最后是实验操作的技术，需要掌握合适的温度和压力控制方法，以及合适的反应时间和过程控制技术。

静压触媒法合成金刚石的优点是生长速度快、晶体质量高、适用于各种复杂形状的金刚石材料制备。

它广泛应用于钻石工具、金刚石薄膜、金刚石刀具、金刚石光学元件等领域。

静压触媒法合成金刚石的技术也在不断发展和改进中，有望为金刚石材料的制备和应用带来更多的进步。

静压触媒法是一种重要的合成金刚石的方法，具有着广阔的应用前景和研究价值。

随着科学技术的不断发展，静压触媒法合成金刚石的工艺和设备将会不断改进和完善，为金刚石材料的制备和应用提供更多的选择和可能性。

希望未来能够有更多的科研成果和技术突破，推动金刚石材料的发展和应用，为人类社会的进步和发展作出更大的贡献。

第二篇示例：静压触媒法合成金刚石的基本原理是在高温高压条件下将碳源和金属触媒混合，形成碳化金属颗粒，再通过长时间的反应使碳源沉积在金属触媒表面形成金刚石微晶核，最终形成金刚石晶体。

相比传统方法，静压触媒法可以大大缩短金刚石的合成周期，同时由于采用的是静压方式，可以减少能源的消耗，提高合成效率。

高温高压下通过石墨直接转化合成的纯聚晶金刚石
用多砧压机在压力为12~25GPa、温度为1800℃~2500℃的条件下,通过石墨直接转化的方法已经合成出纯聚晶金刚石聚合体。

这种聚晶金刚石是无色透明的,而且通过微束X-射线观察可确定它具有立方对称性。

通过TEM观察可看出,样品是由10~20nm的金刚石单晶微粒构成的,通过拉曼光谱仪可以观察到,它的拉曼光谱中只有一条很弱的宽峰,其拉曼位移为~1331cm-1。

压痕法硬度测试表明,这种聚晶金刚石的努普硬度最高可达到140GPa,这个硬度等于甚至高于天然金刚石和合成金刚石的硬度(60~130GPa),而约为含有粘接剂的聚晶金刚石的硬度(50~60GPa)的二倍。

实验结果表明,天然聚晶金刚石可能是由包裹在寒冷的硬壳中的亚稳态石墨下沉到较热的区域,如地幔转化区域中上升的岩浆,而发生快速转化形成的。

高温高压法合成金刚石高温高压法合成金刚石引言：金刚石是最硬的天然物质之一，由碳原子通过特殊的结晶过程形成。

然而，金刚石也可以通过人工合成的方法制造。

其中较为常见的方法是高温高压法（High-PressureHigh-Temperature，HPHT）。

本文将详细介绍高温高压法合成金刚石的原理、过程以及应用。

一、高温高压法合成金刚石的原理高温高压法合成金刚石是一种人工合成金刚石的方法，利用高温和高压的条件，以碳原子为原料，在合适的催化剂作用下，通过结晶过程形成金刚石。

这种方法基于金刚石的高温稳定性和形成金刚石的热力学可逆性。

二、高温高压法合成金刚石的过程高温高压法合成金刚石的过程主要分为两个关键步骤：原料制备和高温高压反应。

1. 原料制备：合成金刚石的原料主要是纯度较高的碳源，如石墨粉或碳黑。

为了提高合成金刚石的质量，通常需要特殊处理原料，例如石墨石材需在高温下长时间亚氧化处理，以提高其纯度。

此外，还需要选择合适的催化剂，如镍、铁、钴等。

2. 高温高压反应：将处理后的原料放置在一个高温高压装置中，一般使用类似于金属丝网形状的石墨容器包裹原料。

通常，在高温高压下，金属丝网容器中的碳源与催化剂反应，形成金刚石的结晶核，然后在高温高压下逐渐生长，最终形成金刚石。

在整个过程中，温度、压力和反应时间等参数需要严格控制，以确保金刚石的质量和产量。

三、高温高压法合成金刚石的应用1. 工业领域：高温高压法合成的金刚石具有极高的硬度和热导率，因此在工业领域有广泛的应用。

例如，金刚石可用于制造高硬度切削工具、钻头、镶嵌在磨具上，以及用于刮擦和研磨工艺等。

此外，金刚石也可用于生产光学器件、冷却材料和高温高压电子设备等。

2. 宝石市场：高温高压法合成的金刚石在宝石市场中也有一定的应用。

由于其质量可控，在商品市场上供应稳定，具有相对较低的价格，因此合成金刚石被广泛用作替代天然金刚石的宝石，如首饰、戒指等。

3. 科研领域：高温高压法合成金刚石在科研领域中也有重要的应用。

高温高压法HPHT高温高压法(HPHT) 是一种高效、先进的物质处理技术，主要用于合成和改良高质量的金刚石和其他重要材料。

这项技术在科学研究、工业领域和珠宝业中都有广泛的应用。

本文将详细介绍高温高压法的原理、应用和发展前景。

高温高压法是一种通过在高温和高压环境下合成、改良物质的技术。

该技术利用强大的压力和温度条件，使材料的原子排列重新组合，从而改变其性质和结构。

高温高压法常常用于合成金刚石，因为金刚石需要极高的温度和压力才能形成。

通过高温高压法，可以合成高纯度、高品质的金刚石，用于工具制造、磨粒材料、科学研究等领域。

高温高压法的原理基于热力学的相关知识。

压力和温度可改变物质的相态和反应动力学。

在高温高压条件下，物质的反应速率加快，原子或分子能够更快地重新排列组合，并形成新的化学物质。

高温高压法的关键是通过调节温度和压力，控制物质的热力学参数，从而实现所需的合成和改良效果。

高温高压法在许多领域都有重要的应用。

其中最为广泛的应用之一是金刚石合成。

通过高温高压法，可以将石墨或其他含碳材料转变为金刚石，从而获得高硬度、高热导率和高耐磨性的材料。

金刚石合成广泛应用于工具制造、材料加工和研磨领域，大大提高了生产效率和产品质量。

此外，高温高压法还用于合成其他重要材料，如超硬合金、石英、陶瓷材料等。

高温高压法在科学研究中也扮演着重要角色。

科学家利用高温高压条件，深入研究材料的性质和反应规律。

通过高温高压法，科学家可以模拟地球内部条件，研究行星、矿物和地质过程的形成与变化。

此外，高温高压实验还可以探索新型材料的合成和性质，为材料科学的发展做出贡献。

高温高压法在珠宝业中也有独特的应用。

通过高温高压法，可以改良天然钻石的颜色和纯度，使其更加美丽和稀有。

此外，高温高压法还可以合成人造钻石，具有与天然钻石相似的物理特性，但价格更为经济实惠。

由于高温高压法可以在短时间内合成高质量的钻石，因此它在珠宝业中得到广泛应用。

随着科学技术的不断发展，高温高压法也在不断进化和改进。

高温高压合成金刚石的机理，工艺及特征探讨摘要：本文针对高温高压合成金刚石的机理展开分析，同时讨论了高温高压合成金刚石工艺的相关内容，包括基本合成条件、高温高压合成工艺、机械式提纯工艺等，同时也对合成金刚石的各项特征进行分析，以此来积累相应的应用经验，为工艺改进提高良好参考。

关键词：高温；高压；合成金刚石；溶剂假说金刚石作为一类高性能材料，目前已经在机械领域、电子科技、光电学等领域中得到了广泛应用。

在金刚石加工活动中，高温高压环境稳定性将直接影响到金刚石的合成质量，通过整理金刚石的机理、工艺及特征，能够为技术体系的完善提供良好参考，以提高金刚石合成质量的可靠性。

1高温高压合成金刚石的机理1.1固相直接转变假说该假说的核心观点在于，石墨转换为金刚石的过程，并不需要进行断键重组，而整个变化过程是从石墨平面六角蜂窝状结构在特定环境下，直接转换成金刚石的立方结构。

在高温高压状态，石墨层之间的距离也将被压缩，此时碳原子的振动也会加剧，并且层间的原子也会有规律地靠近，最终会在相互吸引作用下出现位移，这也让石墨结构出现扭曲与弯折。

石墨的C-C层之间存在着2Pz电子，在高温高压环境下，这些电子也会让碳原子形成共价键，此情况下也造成sp2杂化碳向着sp3杂化碳方向进行转变，同时也会将六角层直接扭曲成金刚石对应的结构，整个过程会一层一层地持续转换，从而让石墨转换成金刚石。

而此种转变方式一般都需要在较高温度（3000K）与压力（13GPa）条件下进行，所需要的应用成本较高[1]。

1.2溶剂假说该假说认为金属触媒在整个金刚石形成过程中，起到了良好的溶剂作用，而石墨则是在高温高压状态下，会直接在金属触媒溶液当中，直接溶解并分解成若干个单体碳原子，这些碳原子由于过饱和而出现了析出，从而合成了金刚石。

该观点与其他晶体的析出生长过程比较接近，而整个金刚石的生长动力，主要是来源于石墨与金刚石在同等条件下，其在金属触媒当中的溶解度差值[2]。

高温高压合成含硼金刚石单晶制备工艺初探【摘要】本文以掺入不同含量硼铁的铁基合金为触媒，以石墨为碳源，在高温高压条件下合成了含硼金刚石单晶体。

利用扫描电镜(sEM)观察了金刚石及触媒的组织形貌；利用金相显微镜观察了金刚石颗粒的颜色和形态；利用拉曼光谱仪(Rs)确认了人造金刚石单晶体中硼的存在；利用低温电阻测量仪验证了合成的含硼金刚石单晶颗粒具有半导体性能。

实验结果表明，在金刚石的合成中，触媒中硼铁含量为2wt％的合成效果相对最好。

1 前言石墨转变为金刚石是碳的同素异构体转变，由于触媒的参与使之合成压力与温度大幅度降低。

在触媒中添加微量硼元素，可赋予金刚石良好的半导体性能。

半导体金刚石具有宽禁带、高导热率、高临界击穿电场、高电子饱和速度以及低的介电常数等优异的性能，同时由于金刚石具有优异的化学稳定性，高硬度及耐磨性，较强的耐辐射能力．特别适合于制造高性能电力电子器件，可以在更高的温度和恶劣的环境下正常工作。

因此，金刚石是很有前途的半导体材料一。

国内外目前主要采用气相沉积法合成半导体金刚石薄膜，有关用高温高压静压法合成半导体金刚石的报道很少。

国内合成金刚石触媒一般采用镍锰钴合金Ni。

Mn Co5，但成本较高；作为铁基触媒活性大，成本低，是一种较理想的触媒。

在铁基触媒中掺入硼铁，合成后可得到含硼金刚石。

本文对含硼金刚石的制备工艺进行了初步研究。

2 实验内容金刚石合成实验是在LMD一8000D铰链式六面顶压机高温高压装置上完成的。

碳片是莱阳和河南新郑两家专业厂家生产的其尺寸为观5×1．2mm。

在自行研制的铁基触媒中掺入不同含量的硼铁合金，其含量(wt％)分别为：0．1、0．5、1、1．5、2、2．5、3、4、5、6、7、8。

将混合均匀的粉末压制成睨5×0．55mm尺寸的片，经烧结和清理后，直接与石墨片在叶蜡石腔体内以传统方式组装，每个压块中装入l0片触媒片和l3片石墨片。

组装好的压块先在120℃时烘烤4小时，之后升温至180℃保温16小时，再升温至300oC保温4小时，最后降温至180℃保温4小时．再进行合成。

金刚石的制备方法嘿，你知道金刚石吗？那可是个超级厉害的东西呢！在咱们眼里，金刚石就是钻石，亮晶晶的，超级贵，还特别硬。

你要是想知道这金刚石是咋制备出来的，那可就有趣啦。

我有个朋友叫小李，他就对金刚石的制备特别着迷。

有一次我们聊天，他就像打开了话匣子一样，滔滔不绝地跟我讲。

他说，一种常见的制备金刚石的方法是高温高压法。

这就好比把碳元素放在一个超级严格的“训练营”里，这个“训练营”的环境特别恶劣，高温就像大火炉在烤着，高压就像是有无数双大手在用力挤压。

在这种情况下，碳原子们可就没办法懒散啦，它们只能乖乖地按照特定的规则排列起来，最后就形成了金刚石。

我当时就很惊讶，我就问他：“哎呀，这得多高的温度和多大的压力啊？”小李就很兴奋地告诉我，温度得达到1000 - 2000摄氏度呢，压力得是5 - 10万个大气压。

我的天呐，这数字听起来就很吓人。

我就想啊，这就像是要把一个很柔弱的人放在极度严酷的环境里，要么就被摧毁，要么就变得超级强大，碳原子就是在这种压力下变成了金刚石这种超级坚硬的物质。

这难道不神奇吗？还有一种方法叫化学气相沉积法。

我另外一个朋友小王也懂一些这方面的知识。

他给我解释的时候就特别形象。

他说啊，这个化学气相沉积法就像是给碳原子们搭建了一个特殊的“建筑场地”。

首先呢，会有一些含有碳的气体，这些气体就像是一群小小的建筑工人，它们在一个特殊的反应室里。

然后呢，通过一些能量的激发，比如说加热或者是用等离子体来刺激这些气体。

这时候啊，那些碳原子就开始慢慢地从气体里分离出来，然后一层一层地沉积在一个基底上，就像盖房子一样，一层一层地往上盖，最后就形成了金刚石薄膜。

我就问小王：“这方法听起来很巧妙，但是会不会很复杂啊？”小王就笑着说：“那当然啦，就像你想做一件精美的手工艺品，肯定不简单啊。

这个过程中，对反应室的环境要求很高，温度、气体的流量、压力等都得控制得非常精准。

如果哪个环节出了问题，那就像盖房子的时候地基没打好，最后这金刚石薄膜可能就质量不好或者根本就形成不了。