優質板狀Ⅰb型寶石級金剛石大單晶的合成①

李勇,李尚升,肖宏宇,黃國峰,胡美華,趙明,顏丙敏,馬紅安,賈曉鵬,

(1.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林,長春130012;2.河南理工大學材料科學與工程學院,河南,焦作454000)

優質板狀Ⅰb型寶石級金剛石大單晶的合成①

李勇1,李尚升2,肖宏宇1,黃國峰1,胡美華1,趙明1,顏丙敏1,馬紅安1,賈曉鵬1,2

(1.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,吉林,長春130012;2.河南理工大學材料科學與工程學院,河南,焦作454000)

高溫高壓下合成Ib型寶石級金剛石大單晶,需要較長的合成時間。由于低溫板狀晶體合成區間很窄,因此較中溫和高溫晶體的合成相對困難。文章對板狀Ⅰb型寶石級金剛石大單晶的合成進行了研究,并實現了不同尺寸優質板狀晶體的可重復性合成。

金剛石大單晶;溫度梯度法;板狀晶體

2 實驗

實驗是在國產六面頂SPD 6×1200型液壓機上進行的,實驗使用的碳源為高純人造石墨,合成壓力約為5.5GPa,實驗組裝見圖1所示。本實驗過程中采用了(100)晶面為籽晶的外延生長面。

圖1 反應腔體內部組裝示意圖Fig.1 Schematic diagram showing inside assembly of reaction chamber

3 結果和討論

如圖1所示,我們將碳源置于腔體的高溫端,籽晶置于低溫端,觸媒溶劑放置在二者之間。溫度梯度法指的是在金剛石穩定區內,將石墨轉化為金剛石并溶于觸媒溶劑當中,在一定的溫度梯度驅動下,金剛石將由高溫端的高濃度區向低溫端的低濃度區擴散,擴散到低溫端籽晶的位置處時在籽晶上結晶析出,實現晶體的外延生長。通過嚴格的熱力學推導得知:在一維近似條件下,晶體的生長速度和溫度梯度成正比[7],即:v=dw/d t∝d T/d z,式中v表示晶體的生長速度,w表示晶體的重量,t表示生長時間,T表示軸向的溫度,d T/dz表示軸向的溫度梯度。實驗過程當中可以通過調整組裝來獲得不同的溫度梯度,進而控制晶體的生長速度。

由圖2可以看出:當合成壓力為5.5GPa時,沿(100)生長面的低溫合成區間非常窄,當合成溫度較高時,所合成的晶體是以(100)和(111)面為主的六八面體,甚至是以(111)面為主的八面體[8],由于寶石級金剛石的合成周期較長,要想合成出優質的(100)面晶體必須嚴格地控制腔體內部溫度的長時間穩定性,當溫度較低時可能會進入骸晶區。實驗過程當中,我們通過在位測量發現,1小時以后合成腔體內部的溫度隨著時間的推移會慢慢的降低,如圖3所示,當腔體內的溫度降低就易進入骸晶區,所以說合成優質低溫(100)面板狀晶體是非常困難的。為了解決這個問題我們對觸媒進行了優選,希望能夠找到適合合成低溫板狀晶體的觸媒。對觸媒的選取原則:1、觸媒自身具有適當的黏性以保證合成腔體內穩定的對流場。2、具有相對較寬的低溫合成區間。通過研究我們取得了比較理想的實驗結果。

圖2 Ib型寶石級金剛石生長區間Fig.2 Growth in terval of Ib-type gem diamond

圖3 腔體內溫度隨時間變化曲線圖Fig.3 The curve of the temperature change with the time in the chamber

在選定的觸媒體系中,我們分別在3h,30h,35h內合成晶體邊長分別為1.2mm,5mm和5.5mm的低溫板狀晶體,如圖4所示(圖中標尺每格0.5mm)。

圖4 不同尺寸的寶石大單晶Fig.4 Gem diamond large single crystal with different size

圖5 3～4mm板狀晶體照片Fig.5 The photo of the plate-shape gem diamond with size of 3～4mm

圖6 4～5mm板狀晶體照片Fig.6 The photo of the plate-shape gem diamond with size of 4～5mm

與此同時,我們重復性的合成的晶體如圖5與圖6所示,圖5是在該觸媒體系中合成的邊長為3～4mm板狀晶體光學照片。圖6為該觸媒體系中合成的邊長為4～5mm板狀晶體的光學照片。

4 結論

選用合適的觸媒,高溫高壓條件下,在一定程度上解決了合成低溫板狀晶體較難的問題,實現了低溫板狀晶體的可重復性合成。

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Synthesis of plate-shape gem diamond large single crystal under HPHT

LI Yong1,LI Shang-sheng2,X IAO Hong-yu1,HUANG Guo-feng1,HU Mei-hua1,ZHAO ming1,YAN Bing-min1,MA Hong-an1,JIA Xiao-peng1,2
(1.State Key Laboratory of Super hard Materials,Jilin University,Jilin 130012;2.Henan Polytechnic University,Henan 454000)

The syn thesis of gem diamond crystal often takes a long time by temperature gradient method under high temperature and high pressure.Because the low temperature syn thesis rang is very narrow,it is rather difficult to syn the size the plate of gem diamond than the higher temperature gem diamond.Thence,the syn thesis of the plate of Ib-type gem diamond is discussed in th is paper.In addition,the different sizes plate of gem diamond can be syn the sized repeatedly.

diamond large single crystal;temperature gradient method;plate-shape crystal

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0034-03

1 引言

金剛石是一種用途廣泛的極限功能材料,其極限性主要表現在機械、熱學、光學、化學和電學等五個方面。寶石級金剛石可以最大限度的發揮金剛石的極限特性,而且隨著科學技術的進步,市場上對寶石級金剛石大單晶的需求會日益膨脹[1-2]。通常情況下,板狀寶石級金剛石大單晶可應用于單晶拉絲模、紅外透明窗口和基底等,正是由于板狀晶體的諸多用途,本文研究了板狀寶石級金剛石大單晶的合成。本文所說的板狀晶體指沿(100)生長面合成并且其高徑比小于0.5的晶體,即:高徑比=晶體高度/晶體直徑＜0.5。

2010-08-17

李勇(1981-),男,吉林大學超硬材料國家重點實驗室,博士研究生,從事寶石級金剛石大單晶的合成研究。