高温高压法生长金刚石单晶

金刚石手册目录2金刚石介绍3物理性能4金刚石分类5金刚石合成6 CVD 金刚石类型7晶体学8力学强度9金刚石抛光10金刚石表面11性能光学性能12光学常数13拉曼散射14单晶光学器件15多晶光学器件16发射率和射频窗口17精密部件18热学性能19金刚石散热片20超精加工21电子性能22金刚石的量子应用23电化学性能24数据表光学级和射频级25热学级26机械级27电化学加工级28电子级29 DNV 级材料30延伸阅读31延伸阅读1. 单片金刚石拉曼激光器随着CVD金刚石合成和加工技术不断进步，在实际应用中能够使用具有优异性能的金刚石材料。

工程单晶 CVD 金刚石具有超低吸收率和双折射率，并且光程长，使单片金刚石拉曼激光器得以成为现实。

订购 CVD 金刚石产品，请访问在以下社交媒体上关注我们金刚石介绍3金刚石的特点是具有优异的硬度、鲁棒性以及光学与热学性能，可用于制造精美的宝石和精良的工业刀具。

但天然金刚石固有的可变性和稀缺性限制了其在工程应用中的使用。

合成工艺的发展让制造持续稳定的工程人造金刚石成为可能。

人们最初在 20 世纪 50 年代运用高温高压法、后来在 80 年代运用化学气相沉积法来制造优异的共价晶体金刚石。

现代工业消耗的人造金刚石约有 800 吨，大约是作为宝石开采的天然金刚石的150 倍。

一切在于结构金刚石的特性源自其结构，任一原子都被相邻的四个原子包围，通过共价键结合在立方晶格中，形成四面体结构。

这种结合坚固、堆积紧凑、致密、刚性的结构使其具有优异的性能。

能够操控缺陷和合成条件的影响，意味着材料科学家已经可以针对广泛的应用优化和定制金刚石的特性。

通过控制缺陷和合成条件的影响，材料科学家能够优化和定制金刚石的显著性能，以获得广泛的应用。

延伸阅读2. 科学瑰宝BC N510.81112.01114.00767Al aluminium1326.981Si silicon1428.085Pphosphorus1530.973高温高压合成的金刚石通常掺氮，因此具有独特的黄色色调。

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。

人造金刚石生产工艺流程人造金刚石是一种人工合成的具有极高硬度和热导率的材料，广泛应用于切割、磨削和研磨等工业领域。

其生产工艺流程包括原料选择、合成、成长和加工等多个步骤。

原料选择是人造金刚石生产的第一步。

通常使用的原料是高纯度的石墨，通过石墨的高温高压合成来获得人造金刚石。

高纯度的石墨可以确保合成金刚石的质量和性能。

合成是人造金刚石生产的关键步骤。

合成金刚石的方法有多种，其中最常用的是高温高压合成法。

该法将石墨置于高温高压容器中，然后通过加热和施加高压使其发生化学反应，最终形成金刚石结构。

在合成过程中，需要精确控制温度、压力和时间等参数，以确保金刚石的合成效果和质量。

接下来是金刚石的成长过程。

合成金刚石的方式有两种：一种是单晶生长，另一种是多晶生长。

单晶生长是指在合成过程中，金刚石晶核逐渐生长并形成一个完整的单晶体。

多晶生长则是指金刚石晶核同时生长形成多个晶体。

不同的生长方式决定了金刚石的晶体结构和性能。

合成的金刚石需要进行加工。

加工的目的是将金刚石切割成所需的形状和尺寸，并进行表面处理以提高其性能。

加工工艺包括切割、磨削、抛光和镶嵌等步骤。

切割是指将合成金刚石切割成所需的形状，常用的切割工具有金刚石刀片和线锯等。

磨削是指对金刚石进行精细加工，以获得平滑的表面和精确的尺寸。

抛光是将金刚石表面进行处理，提高其光洁度和亮度。

镶嵌是将金刚石嵌入到合适的基座或工具中，以便于使用和固定。

人造金刚石的生产工艺流程是一个复杂而严谨的过程，需要精确的控制和操作。

每个步骤都对最终产品的质量和性能产生重要影响。

通过不断优化和改进工艺流程，可以获得更高质量的人造金刚石，满足不同领域的需求。

总结起来，人造金刚石的生产工艺流程包括原料选择、合成、成长和加工等多个步骤。

原料选择是选择高纯度石墨作为合成金刚石的原料；合成是通过高温高压合成反应得到金刚石；成长是金刚石晶核逐渐生长形成单晶或多晶体；加工是将金刚石切割、磨削、抛光和镶嵌等工艺处理，最终获得所需的金刚石制品。

△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。

850mm缸径六面顶压机合成金刚石大单晶研究作者：黄国锋梁新鹏王雅鸿路小波苏海洋来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2024年第01期摘要：随着六面顶压机的大型化，合成金刚石大单晶所用的功耗也越来越大，为降低850mm缸径六面顶压机生长金刚石大单晶的功耗，本文设计了一种氧化物与石墨混合体加热的辅助热源，并通过优化生长腔体结构，使得六面顶压机合成功率降低15％，并通过在合成腔体中添加金属钛作为除氮剂，使用铁钴合金作为触媒，实现了优质IIa型宝石级金刚石大单晶的合成，这对超硬材料行业的节能减排具有重要的意义。

此外光致发光光谱显示，金刚石晶体中广泛存在着氮和空位形成的结构缺陷。

关键词：高温高压；温度梯度法；金刚石大单晶；低能耗中图分类号：TQ164 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2024）01-0035-041 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。

第八章.高温高压种晶触媒法合成钻石要点：1．钻石合成方法的发展历史2．高温高压种晶触媒法基本原理、合成装置与条件、过程及特点3．合成钻石的鉴定一、钻石合成方法的发展历史早在18世纪人们就开始了合成钻石的探索，但直到20世纪，由于热力学及高温高压技术的发展，才使钻石的合成得以实现。

1953年瑞士工程公司（ASEA）使用压力球装置首次成功地合成出了40粒小颗的钻石，美国通用电气公司（GE）也于1955年采用压带装置合成出了小颗粒的钻石。

此后，工业级钻石的合成技术得到广泛应用，目前几乎三分之二的工业用钻已由合成钻石替代了。

但直到1970年宝石级大颗粒的钻石才由美国通用电气公司合成成功。

经过近三十年的努力，目前已能获得十几克拉大的晶体，但宝石级钻石合成的成本仍然很高，虽有初步的商业化，仍不能进行大批量的生产。

2000年合成的可切磨的钻石只有3500ct，仅占当年天然宝石级钻石产量的0.01%。

到二十世纪九十年代，人们发明了一种化学气相沉积法（CVD）---一种在低压下生长钻石的新方法。

这种方法是在钻石的亚稳定区，用加热、放电等方法激活碳基气体（如甲烷），使之离解出碳原子和氢原子（或甲基CH3和氢原子），碳原子在甲基和氢原子的作用下在固相基片如籽晶上沉积形成金刚石单晶薄膜或多晶质薄膜。

目前生长速度只能达到每周0.02mm，可获得的金刚石薄膜厚度太小（几十至几百微米），还远不能用来合成宝石级钻石，这种技术有时被用于钻石及其它材料的表面镀层，在珠宝首饰业应用还十分有限。

二、合成钻石的原理与合成方法1．合成钻石的原理图8-1 钻石-石墨相图钻石和石墨是碳的两种同质多像的变体。

根据钻石-石墨的相平衡图可知，在常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，而钻石是一种亚稳定状态。

钻石只有在高温高压下才是最稳定的，天然钻石形成并保存于上地幔高温高压的条件下充分证明了这一点。

但要在常温常压下破坏钻石中的C-C键需要很高的能量，因此，钻石不会自动转变为石墨。

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]。

超宽禁带半导体单晶金刚石超宽禁带半导体单晶金刚石是一种具有极高硬度、高导热性和高抗腐蚀性的材料。

它是由碳原子组成的晶体，具有非常稳定的化学性质和良好的光学性能。

在电子学、光电子学、光伏等领域具有广泛的应用前景。

超宽禁带半导体单晶金刚石的主要特点是其禁带宽度非常大，可达到5.5电子伏特。

这意味着在室温下，金刚石可以承受高达10^17个/cm³的掺杂浓度而不失去其半导体特性。

这使得金刚石可以用于制造高功率、高频率和高温设备，例如功率放大器、微波器件和传感器等。

此外，单晶金刚石还具有优异的机械性能。

由于其极高硬度，金刚石可以用于制造各种工具和切割材料。

同时，其高导热性也使得金刚石成为一种理想的散热材料，在电子设备中广泛应用。

然而，由于单晶金刚石的制备难度较大，目前其应用仍受到一定限制。

金刚石的制备需要高温高压条件下的合成，且需要非常精确的控制和处理技术。

此外，由于金刚石是一种贵重材料，其成本也较高。

尽管如此，单晶金刚石仍然具有广泛的应用前景。

在微电子学领域，金刚石可以用于制造高功率、高频率和高温设备，例如功率放大器、微波器件和传感器等。

在光电子学领域，金刚石可以用于制造高能量激光器和探测器等。

在化学工业中，金刚石可以用于制造耐腐蚀的涂层和催化剂等。

总之，超宽禁带半导体单晶金刚石是一种具有极高硬度、高导热性和高抗腐蚀性的材料，在电子学、光电子学、光伏等领域具有广泛的应用前景。

虽然其制备难度较大且成本较高，但随着技术的不断进步和应用需求的增加，相信单晶金刚石的应用前景将会越来越广阔。

籽晶{100}面形状对高温高压合成金刚石大单晶的影响王遥;马红安;杨志强;丁路遥;王战轲;贾晓鹏【摘要】选用不同形状的{100}金刚石籽晶面,以NiMnCo合金为触媒,利用温度梯度法在压力为5.5 GPa、温度为1260～1300℃的条件下,合成Ⅰb型金刚石大单晶.通过光学显微镜和电子显微镜对晶体的形貌进行表征.研究发现,将合成籽晶的{100}晶面切割成不同形状,只会令晶体的长宽比发生改变,晶体并不会因籽晶形状的改变而偏离{l00}晶体的正常形貌.晶体的合成质量受到籽晶长宽比的影响:在籽晶长宽比较小的情况下,晶体的合成质量能够得到保证;但当籽晶长宽比过大时,合成晶体的下表面出现较多缺陷.关于籽晶形状对晶体生长情况影响的研究,揭示了籽晶形状与合成晶体形貌之间的关系,有利于更深入理解晶体的生长过程和外延生长机理,对于今后合成不同形貌的金刚石具有借鉴意义.同时此项研究有助于扩大籽晶的选取范围,降低籽晶的选择难度,提升工业级金刚石的利用率,为合成金刚石大单晶的籽晶选取提供了技术支持.【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2019(033)004【总页数】7页(P41-47)【关键词】籽晶形貌;金刚石合成;高温高压;温度梯度法【作者】王遥;马红安;杨志强;丁路遥;王战轲;贾晓鹏【作者单位】吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室,吉林长春 130012;吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室,吉林长春 130012;吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室,吉林长春 130012;吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室,吉林长春 130012;吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室,吉林长春130012;吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室,吉林长春 130012【正文语种】中文【中图分类】O521.3金刚石是具有众多优良性质的极限功能材料，拥有优良的光学、热学和电学性质以及最大的机械硬度，许多领域对金刚石及其相关材料的需求量越来越大[1-7]。