優(yōu)質(zhì)板狀Ⅰb型寶石級(jí)金剛石大單晶的合成①

李勇,李尚升,肖宏宇,黃國(guó)峰,胡美華,趙明,顏丙敏,馬紅安,賈曉鵬,

(1.吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林,長(zhǎng)春130012;2.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南,焦作454000)

優(yōu)質(zhì)板狀Ⅰb型寶石級(jí)金剛石大單晶的合成①

李勇1,李尚升2,肖宏宇1,黃國(guó)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(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林,長(zhǎng)春130012;2.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南,焦作454000)

高溫高壓下合成Ib型寶石級(jí)金剛石大單晶,需要較長(zhǎng)的合成時(shí)間。由于低溫板狀晶體合成區(qū)間很窄,因此較中溫和高溫晶體的合成相對(duì)困難。文章對(duì)板狀Ⅰb型寶石級(jí)金剛石大單晶的合成進(jìn)行了研究,并實(shí)現(xiàn)了不同尺寸優(yōu)質(zhì)板狀晶體的可重復(fù)性合成。

金剛石大單晶;溫度梯度法;板狀晶體

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是在國(guó)產(chǎn)六面頂SPD 6×1200型液壓機(jī)上進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)使用的碳源為高純?nèi)嗽焓?合成壓力約為5.5GPa,實(shí)驗(yàn)組裝見(jiàn)圖1所示。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了(100)晶面為籽晶的外延生長(zhǎng)面。

圖1 反應(yīng)腔體內(nèi)部組裝示意圖Fig.1 Schematic diagram showing inside assembly of reaction chamber

3 結(jié)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(wěn)定區(qū)內(nèi),將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石并溶于觸媒溶劑當(dāng)中,在一定的溫度梯度驅(qū)動(dòng)下,金剛石將由高溫端的高濃度區(qū)向低溫端的低濃度區(qū)擴(kuò)散,擴(kuò)散到低溫端籽晶的位置處時(shí)在籽晶上結(jié)晶析出,實(shí)現(xiàn)晶體的外延生長(zhǎng)。通過(guò)嚴(yán)格的熱力學(xué)推導(dǎo)得知:在一維近似條件下,晶體的生長(zhǎng)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(zhǎng)速度,w表示晶體的重量,t表示生長(zhǎng)時(shí)間,T表示軸向的溫度,d T/dz表示軸向的溫度梯度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中可以通過(guò)調(diào)整組裝來(lái)獲得不同的溫度梯度,進(jìn)而控制晶體的生長(zhǎng)速度。

由圖2可以看出:當(dāng)合成壓力為5.5GPa時(shí),沿(100)生長(zhǎng)面的低溫合成區(qū)間非常窄,當(dāng)合成溫度較高時(shí),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(jí)金剛石的合成周期較長(zhǎng),要想合成出優(yōu)質(zhì)的(100)面晶體必須嚴(yán)格地控制腔體內(nèi)部溫度的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性,當(dāng)溫度較低時(shí)可能會(huì)進(jìn)入骸晶區(qū)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中,我們通過(guò)在位測(cè)量發(fā)現(xiàn),1小時(shí)以后合成腔體內(nèi)部的溫度隨著時(shí)間的推移會(huì)慢慢的降低,如圖3所示,當(dāng)腔體內(nèi)的溫度降低就易進(jìn)入骸晶區(qū),所以說(shuō)合成優(yōu)質(zhì)低溫(100)面板狀晶體是非常困難的。為了解決這個(gè)問(wèn)題我們對(duì)觸媒進(jìn)行了優(yōu)選,希望能夠找到適合合成低溫板狀晶體的觸媒。對(duì)觸媒的選取原則:1、觸媒自身具有適當(dāng)?shù)酿ば砸员ＷC合成腔體內(nèi)穩(wěn)定的對(duì)流場(chǎng)。2、具有相對(duì)較寬的低溫合成區(qū)間。通過(guò)研究我們?nèi)〉昧吮容^理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 Ib型寶石級(jí)金剛石生長(zhǎng)區(qū)間Fig.2 Growth in terval of Ib-type gem diamond

圖3 腔體內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)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(nèi)合成晶體邊長(zhǎng)分別為1.2mm,5mm和5.5mm的低溫板狀晶體,如圖4所示(圖中標(biāo)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F(xiàn)ig.5 The photo of the plate-shape gem diamond with size of 3～4mm

圖6 4～5mm板狀晶體照片F(xiàn)ig.6 The photo of the plate-shape gem diamond with size of 4～5mm

與此同時(shí),我們重復(fù)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(zhǎng)為3～4mm板狀晶體光學(xué)照片。圖6為該觸媒體系中合成的邊長(zhǎng)為4～5mm板狀晶體的光學(xué)照片。

4 結(jié)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(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了低溫板狀晶體的可重復(fù)性合成。

[1] Hito shiSUMIYA,Naohiro TODA and Shuichi SATOH,Development of High-quality Large-size Synthetic diamond Crystals[J].new materials,SE ITECHNICAL REVIEW,No.60,(2005)15.

[2] H.Sumiya,N.Toda,S.Satoh,“High-quality large diamond crystals”[J].New diamond and Frontier Carbon Technology,10(2000)233-251.

[3] WANG Xiang-Cheng,M A Hong-an,ZANG Chuan-Y i,T IAN Yu,LIShang-Sheng,JIA Xiao-Peng.G row th of Large High-Quality Type-Ⅱ adiamond crystals[J].Chinese Physics Letters,Vo l.22,No.7(2005)1800-1802.

[4] T IAN Yu,M A Hong-A n,LI Shang-Sheng,XIAO Hong-Yu,ZHANG Ya-Fei,HUANG Guo-Feng,MA Li-Qiu.JIA Xiao-Peng Dependence of Limited Growth Rate of High-Quality Gem diamond on Growth Conditions[J].Chinese Physics Letters,Vo l.24,No.7(2007)2115.

[5] XIAO Hong-Yu,JIA X iao-Peng,ZANG Chuan-Yi,LIShang-Sheng,TIAN Yu,ZHANG Ya-Fei,HUANG Guo-Feng,M A Li-Qiu,M A Hong-AN.Dependence of Crystal Quality and β Value on Synthesis Temperature in Growing Gem diamond Crystals[J].Chinese Physics Letters,Vol.25,No.4(2008)1469.

[6] Yafei Zhang,Chuan yi Zang,HonganMa,Zhongzhu Liang,Lin Zhou,Shangsheng Li,Xiaopeng Jia.HPHT syn thesis of large single crystal diamond doped with high nitrogen concentration[J].diamond&Related Materials 17(2008)209.

[7] 臧傳義,賈曉鵬,任國(guó)仲,望賢成.快速生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)寶石級(jí)金剛石大單晶[J].金剛石與磨料磨具工程,2003(6):13.

[8] H.Sumiya,N.Toda,S.Satoh.G row th rate of high-quality large diamond crystals[J].Joural of Crystal Growth,237-239(2002):1281-1285.

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(xiàn)在機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和電學(xué)等五個(gè)方面。寶石級(jí)金剛石可以最大限度的發(fā)揮金剛石的極限特性,而且隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,市場(chǎng)上對(duì)寶石級(jí)金剛石大單晶的需求會(huì)日益膨脹[1-2]。通常情況下,板狀寶石級(jí)金剛石大單晶可應(yīng)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(jí)金剛石大單晶的合成。本文所說(shuō)的板狀晶體指沿(100)生長(zhǎng)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(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,博士研究生,從事寶石級(jí)金剛石大單晶的合成研究。