金刚石晶体的V形生长区

高品质的大钻石晶体的生长速率摘要：对于在高压和高温下采用温度梯度法生长无包裹体的高品质的金刚石晶体的实验已展开研究。

7-8克拉的无杂质的高品质Ⅱa型金刚石晶体可以通过选择合适的金属溶剂和添加剂并且以高温控制并维持一段时间的方式以6-7mg/h的高速率生长。

通过使用大型种子晶体并且以温度控制来调整形态可以使含有氮杂质的Ⅰb型金刚石晶体可以在15毫克/小时的较高的生长速率下生长。

这种大型种子生长II a型金刚石单晶的方法是不适用的，因为它在生长过程中很难控制它的晶体形态。

关键词：晶体形态；高温生长法；单晶体生长;金刚石一.简介生长较大的金刚石晶体的最有效的方法是在高温高压下的温度梯度生长法。

这种方法1971年成功合成了约1克拉的金刚石晶体（5-6毫米）。

然而，这个生长过程却因为是过于昂贵而不能转化为当时的商业化生产。

据在论文中的报道，含有分散10-100 ppm的氮杂质Ib型金刚石晶体的增长率必须限制其低于2.5毫克/小时，以避免无氮金属夹杂物的形成，同时IIa型金刚石单晶杂质，必须生长在1.5 mg/ h以下的较低的生长率内。

有必要的进行缓慢的控制过程进而使生长成高品质的大金刚晶体的的过程是非常困难和昂贵的。

因此提高生长速度的限制是不可或缺的。

1985年，由于有限的生长率增长到4毫克/小时，使用优化生长条件的温度梯度法大规模生产过程，约1克拉的Ib 型金刚石晶体被成功地商业化生产。

此外，在1990年，使用大型种晶法生长出了晶体增长率高达15毫克/小时的Ib 型9克拉（12毫米对面间距）的金刚石晶体。

因此，黄色的Ib型大金刚石晶体可以在一个较高的生长速度下生长，并且可用于商业化生产。

然而，因为金属夹杂的问题，使生产高纯度的IIa型金刚石晶体商业化已经是不可能的。

当氮以吸附形式被添加到溶剂金属中后，往往促进晶体中的包裹体的形成。

为了避免发生包裹，增长率必须保持在非常低，如1毫克/小时。

在过去的几年中，我们已经成功地合成出增长率高达3毫克/小时且晶体中含有杂质小于0.1 ppm的越来越高品质的IIa型金刚石晶体。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟金刚石(Diamond)C【化学组成】成分中可含有N、B、Si、Al、Na、Ba、Fe、Cr、Ti、Ca、Mg、Mn 等元素。

其中N、B 最为重要，是目前金刚石分类的基本依据。

首先根据是否含N 分为两类：一是含N 者为Ⅰ型，Ⅰ型又据N 的存在形式进一步分为Ⅰa 型和Ⅰb 型。

Ⅰa 型中N 含量大于0.1%，以细小片状的形式存在，增强了金刚石的硬度、导热性、导电性。

天然金刚石中98%为Ⅰa 型。

Ⅰb 型中N 含量很小，N 以单个原子置换金刚石中的C，Ⅰb 型绝大多数见于人造金刚石中，而仅占天然金刚石的1%左右。

二是不含N 或含量极微(＜0.001%)，又根据是否含B 进一步分为Ⅱa 型和Ⅱb 型。

Ⅱa 型一般不含B。

天然的金刚石中Ⅱa 型含量很小。

具良好的导热性是Ⅱa金刚石的特性。

Ⅱb 型含B 杂质元素，往往呈天蓝色，具半导体性能，Ⅱb 型金刚石在自然界中也罕见。

此外，还可出现混合型金刚石，即同一颗粒金刚石内，氮的分布不均匀，既有Ⅰ型区，又有Ⅱ型区；或既有Ⅰa 型区，又有Ⅰb 型区。

【晶体结构】等轴晶系；；a0=0.356nm;Z=8。

在金刚石的晶体结构(图Z-5)中C 分布于立方晶胞的8 个角顶和6 个面中心,在将晶胞平均分为8 个小立方体时，其中的4 个相间的小立方体中心分布有C(图Z-5(a))。

金刚石结构中的C 以共价键与周围的另外4 个C 相连,键角109°28′16″，形成四面体配位(图Z-5(b))。

金刚石具有紧密的结构，原子间以强共价键相连，这些特征造成了它具有高硬度、高熔点、不导电的特性。

由于结构在{111}方向上原子的面网密度大，其间距也大，故产生{111}中等解理。

图Z-5 金刚石的晶体结构(引自潘兆橹等，1993)。

高中金刚石知识点总结大全一、结构与晶体学知识1. 金刚石的结构金刚石是由碳原子通过共价键连接而成的晶体，其晶胞结构为面心立方晶体，每个碳原子都和四个相邻的碳原子形成共价键，构成坚硬而密实的晶体结构。

2. 金刚石的晶胞金刚石的晶胞是面心立方晶胞，每个晶胞内含有8个角位点和一个面心位点，共有八分之一个面心原子位于一个晶胞内，且每个碳原子占据一个角位点和一个面心位点，晶格常数为3.5671埃。

3. 金刚石的晶体生长金刚石是在地壳下40至100千米深处以每小时1至2千摄氏度的速度生长的，这种生长速度是其他任何材料无法比拟的。

金刚石的生长需要高压和高温，其晶体结构特殊，需要适合的环境来形成。

4. 金刚石的密度金刚石的密度大约为3.52克/立方厘米，是自然界中最硬的物质之一。

其硬度远远超过其他任何已知的天然或合成材料，因此被广泛用于切割、钻孔等领域。

二、金刚石的物理性质1. 金刚石的硬度金刚石是自然界中最硬的物质，其莫氏硬度为10，是刻画其他物质硬度的标准之一。

这种极高的硬度使金刚石成为理想的切割和磨削材料。

2. 金刚石的热导率金刚石具有极高的热导率，是已知最好的导热材料之一。

其热传导系数大约为1000-2200 W/(m*K)，远远超过铜和铝等金属，因此被广泛用于散热材料和热传导的领域。

3. 金刚石的光学性质金刚石具有出色的透明性和折射率，在光学领域有着重要的应用。

其在高频光区（红外-紫外）的折射率为2.4，远高于其他材料，因此被广泛用于光学器件的制造。

4. 金刚石的电学性质金刚石是优良的绝缘体，但在高温高压条件下也可表现出半导体特性。

因此，在电子领域也有着重要的应用。

三、金刚石的化学性质1. 金刚石的化学稳定性金刚石具有极高的化学稳定性，只有在高温高压下才会与氧气反应生成二氧化碳。

在常温下，金刚石几乎不与酸、碱等常见的化学物质发生反应。

2. 金刚石的氧化行为金刚石在高温高压下会发生氧化反应，生成二氧化碳。

1引言金刚石作为超硬材料的典型代表,不仅具有传统材料无法比拟的超硬性能,还具有较好的热导率,其热导率可也达到铜的5倍,因此凭借金刚石的高热导性能在微电子器件领域具有广阔的应用前景,尤其是大尺寸的宝石级金刚石在这方面更能发挥优势。

此外金刚石大单晶做成窗口材料在军工航空航天领域也具有广阔的应用前景。

迄今为止制备宝石级金刚石大单晶的技术手段有两种,一种是化学是利用微波等离子(MPCVD)技术进行化学沉积的方法,此类方法最早由日本无机材料研究所开发出来用以制备多晶金刚石薄膜[1],直到2004年美国卡内基地质物理实验室利用MPCVD 技术沉积出了单晶金刚石[2],近年来该项技术不断的进步和发展,其优势在于不需要任何的催化剂,在低压环境中使用等离子气体在基底上进行沉积生长,因此该种方法获取的金刚石大单晶没有金属包裹物,但生长时间较长,一般获取4mm 高度的单晶毛坯需要近30天的时间,电能消耗也很大。

另外一种制备金刚石大单晶的方法是高温高压条件下的温度梯度法,这种方法是美国通用公司最早于70年代研发出来的,虽然年代久远,但真正实现商业化应用,尤其是在国产六面顶压机这类高压设备上大规模商业化生产是在近5—6年才实现的。

使用高温高压技术实现石墨原料向金刚石的转变,通常温度需要1300℃,压力5.5Gpa(1Gpa=109帕斯卡),然后利用合成腔体的温度梯度形成碳素在触媒溶剂中形成浓度梯度,在浓度梯度的驱动下碳素在金属溶剂中扩散,当碳素扩散到低温并且有晶种的地方即可实现金刚石的同质结晶,并随着时间的延长慢慢长大[3-5]。

一般生长单粒2—3克拉金刚石单晶需要7-8天的时间,相比而言生长速度较化学气象沉积法具有一定的优势。

然而基于高温高压技术合成金刚石需要较高的合成功率才能实现合成腔体内金属触媒的熔融态转变,尤其是随着六面顶压机缸径大型化之后,合成块以及合成腔体的尺寸虽然得到了大幅度提升,但随之带来的是高能耗,目前金刚石行业使用直径850mm 的六面顶压机合成金刚石大单晶的功率基本都在8.0-8.5kW 范围内,单台机器年均消耗电能约6.9kw ·h,因此高温高压下金刚石大单晶的低能耗合成研究对节能减排具有十分重要的价值和现实意义。

对触媒熔剂法金刚石生长的再认识(Ⅰ)——金刚石晶体生长的
准稳定区
王德新;王福泉;刘光海;陈祥安;郑振凯;刘建平
【期刊名称】《人工晶体学报》
【年(卷),期】2001(30)4
【摘要】本文根据溶液晶体生长理论与实践 ,认定在金刚石结晶V形区域内存在
着晶体生长准稳定区。

熔剂—碳二元共熔体系处于准稳定的过饱和溶液中 ,准稳定的过饱和度是金刚石晶体生长的驱动力。

提出了设计合理的加热组装结构、建立金刚石生长适宜压力场、温度场的必要条件。

【总页数】9页(P404-412)
【关键词】金刚石;温度梯度;准稳定区;过饱和度;晶体生长;触媒溶剂法
【作者】王德新;王福泉;刘光海;陈祥安;郑振凯;刘建平
【作者单位】胜利油田钻井工艺研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TQ163;O782
【相关文献】
1.静压法合成人造金刚石晶体生长机理研究进展 [J], 张治军;李正南;陈坚
2.触媒特性与金刚石晶体生长 [J], 王光祖
3.铁镍碳体系中触媒含量的不同对金刚石晶体生长的影响 [J], 李春杰;高峰;李冰
4.金刚石晶体生长的几何分析(二)--一个碳原子是如何生长成金刚石的 [J], 贺以权;
5.金刚石/金属触媒界面表征及金刚石生长的热力学分析 [J], 钮震;许斌;田彬;高才;马中全
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金刚石是一种最坚硬的自然材料，具有出色的热导率和光学性能，因此被广泛应用于珠宝、工业刀具和电子领域。

在工业领域，金刚石通常以晶体形式存在，并具有多种花式和相应的切面称呼。

本文将详细介绍金刚石晶体的花式及相应切面的称呼，旨在帮助读者更全面地了解金刚石的结构特征和应用领域。

一、金刚石晶体的花式1. 八面体晶体金刚石晶体在自然界中最常见的形态为八面体晶体。

八面体晶体的外形呈现出八个完整的面，具有边长相等、内部结构紧密的特点。

这种晶体形态是金刚石最稳定的状态，也是其在许多应用领域中所需的理想形态。

2. 园形晶体园形晶体是指金刚石晶体在自然形态中呈现出类似圆形的外观。

这种形态通常出现在混合晶体或同质混合体中，具有较高的稀世性和收藏价值。

3. 胶凝晶体胶凝晶体是指金刚石晶体在形成过程中受到外界环境的影响而呈现出胶凝状的状态。

这种晶体通常具有较大的内部晶粒尺寸和较低的透明度，适用于一些特殊的工业加工需求。

二、金刚石晶体的相应切面称呼1. 等位切面等位切面是指以八面体晶体为基础所切割的切面，具有边长相等、角度相等的特点。

在珠宝加工领域，等位切面的金刚石被广泛用于打磨成各种形状的宝石，如圆形、椭圆形等。

2. 多面切面多面切面是指以八面体晶体为基础所切割的多面形态切面，具有边长和角度各异的特点。

多面切面的金刚石通常被用于定制或个性化的珠宝加工中，呈现出独特的艺术魅力。

3. 三棱切面三棱切面是指以八面体晶体为基础所切割的三棱形态切面，具有锋利的棱角和较大的切割面积。

在工业领域，三棱切面的金刚石常被用于制作高精度的刀具和刀片，具有良好的切削和耐磨性能。

4. 复合切面复合切面是指将多种不同形态的切面组合在一起，形成复合型态的切面。

复合切面的金刚石具有多样化的表面形态，适用于多种复杂的加工需求，如电子器件的精密加工和高科技工业的切割加工。

总结：金刚石晶体的花式和相应切面称呼是其应用领域中的重要组成部分。

通过对不同花式晶体和切面的了解，可以更加科学地使用金刚石材料，满足不同领域的加工和制造需求。

宝石级人造金刚石（111）生长表面和（100）生长表面的氮含量与氮聚集差异Shui SATOH（佐藤秀一），Hitoshi SUMIYA（澄谷均），Kazuwo TSUJI（迁和世），Shuji Yazu(八头高原)用温度梯度法合成Ib型人造金刚石中含有影响金刚石物理特性的氮原子。

（111）生长表面和（100）生长表面之间的氮含量差异取决于生长温度。

低温生长时，（100）生长表面的氮含量高于（111）生长表面。

随着生长温度不断升高，（100）生长表面的氮含量逐渐低于（111）生长表面。

受（111）生长表面1332cm-1吸收谱所致的镍原子缺陷影响，会出现一个尖峰。

通过高压热处理，Ib型金刚石转化为镍原子成对聚集的IaA型金刚石。

相对于（100）生长表面，镍原子在（111）生长表面较易聚集。

有两种建议。

一种是因（111）生长表面的镍原子扩散系数高于（100）生长表面，（111）生长表面镍原子较易迁移发生聚集。

另一种建议是（111）生长表面镍原子的晶格缺陷会加快晶体内氮迁移。

1.简介0.5到5克拉的宝石级Ib型人造金刚石单晶由温度梯度法制备而成（图1）。

小于2克拉的金刚石在商业上用于切割工具、拉丝模和散热片等。

Ib型人造金刚石内含有影响金刚石硬度1）与热导率2）的游离氮原子。

近年来超精度市场不断发展，需要少缺陷、无杂质的优质金刚石来制备车刀。

因此，检测人造金刚石中氮分布与缺陷类型尤为重要。

还需要考虑晶体中氮原子存在与聚集方式。

为研究上述内容，氮原子通过高压热处理发生聚集，我们要测量不同生长条件下的氮分布情况。

Science and technology of new diamond（新型金刚石科学与技术）,主编：S. Saito, O. Fukunaga, M. Yoshikawa, pp.351-355.© KTK Scientific Publishers KTK科学出版社/ Terra Scientific Publishing Company(地球科学出版公司),1990.照片1. 温度梯度法生长的5克拉人造金刚石2.实验通过温度梯度法，用Fe-50%Ni溶媒分别在5.5G高压和1350℃、1370℃和1400℃条件下，以高温高压形式生长试样。

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]。