优质板状Ⅰb型宝石级金刚石大单晶的合成①

李勇,李尚升,肖宏宇,黄国峰,胡美华,赵明,颜丙敏,马红安,贾晓鹏,

(1.吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林,长春130012;2.河南理工大学材料科学与工程学院,河南,焦作454000)

优质板状Ⅰb型宝石级金刚石大单晶的合成①

李勇1,李尚升2,肖宏宇1,黄国峰1,胡美华1,赵明1,颜丙敏1,马红安1,贾晓鹏1,2

(1.吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林,长春130012;2.河南理工大学材料科学与工程学院,河南,焦作454000)

高温高压下合成Ib型宝石级金刚石大单晶,需要较长的合成时间。由于低温板状晶体合成区间很窄,因此较中温和高温晶体的合成相对困难。文章对板状Ⅰb型宝石级金刚石大单晶的合成进行了研究,并实现了不同尺寸优质板状晶体的可重复性合成。

金刚石大单晶;温度梯度法;板状晶体

2 实验

实验是在国产六面顶SPD 6×1200型液压机上进行的,实验使用的碳源为高纯人造石墨,合成压力约为5.5GPa,实验组装见图1所示。本实验过程中采用了(100)晶面为籽晶的外延生长面。

图1 反应腔体内部组装示意图Fig.1 Schematic diagram showing inside assembly of reaction chamber

3 结果和讨论

如图1所示,我们将碳源置于腔体的高温端,籽晶置于低温端,触媒溶剂放置在二者之间。温度梯度法指的是在金刚石稳定区内,将石墨转化为金刚石并溶于触媒溶剂当中,在一定的温度梯度驱动下,金刚石将由高温端的高浓度区向低温端的低浓度区扩散,扩散到低温端籽晶的位置处时在籽晶上结晶析出,实现晶体的外延生长。通过严格的热力学推导得知:在一维近似条件下,晶体的生长速度和温度梯度成正比[7],即:v=dw/d t∝d T/d z,式中v表示晶体的生长速度,w表示晶体的重量,t表示生长时间,T表示轴向的温度,d T/dz表示轴向的温度梯度。实验过程当中可以通过调整组装来获得不同的温度梯度,进而控制晶体的生长速度。

由图2可以看出:当合成压力为5.5GPa时,沿(100)生长面的低温合成区间非常窄,当合成温度较高时,所合成的晶体是以(100)和(111)面为主的六八面体,甚至是以(111)面为主的八面体[8],由于宝石级金刚石的合成周期较长,要想合成出优质的(100)面晶体必须严格地控制腔体内部温度的长时间稳定性,当温度较低时可能会进入骸晶区。实验过程当中,我们通过在位测量发现,1小时以后合成腔体内部的温度随着时间的推移会慢慢的降低,如图3所示,当腔体内的温度降低就易进入骸晶区,所以说合成优质低温(100)面板状晶体是非常困难的。为了解决这个问题我们对触媒进行了优选,希望能够找到适合合成低温板状晶体的触媒。对触媒的选取原则:1、触媒自身具有适当的黏性以保证合成腔体内稳定的对流场。2、具有相对较宽的低温合成区间。通过研究我们取得了比较理想的实验结果。

图2 Ib型宝石级金刚石生长区间Fig.2 Growth in terval of Ib-type gem diamond

图3 腔体内温度随时间变化曲线图Fig.3 The curve of the temperature change with the time in the chamber

在选定的触媒体系中,我们分别在3h,30h,35h内合成晶体边长分别为1.2mm,5mm和5.5mm的低温板状晶体,如图4所示(图中标尺每格0.5mm)。

图4 不同尺寸的宝石大单晶Fig.4 Gem diamond large single crystal with different size

图5 3～4mm板状晶体照片Fig.5 The photo of the plate-shape gem diamond with size of 3～4mm

图6 4～5mm板状晶体照片Fig.6 The photo of the plate-shape gem diamond with size of 4～5mm

与此同时,我们重复性的合成的晶体如图5与图6所示,图5是在该触媒体系中合成的边长为3～4mm板状晶体光学照片。图6为该触媒体系中合成的边长为4～5mm板状晶体的光学照片。

4 结论

选用合适的触媒,高温高压条件下,在一定程度上解决了合成低温板状晶体较难的问题,实现了低温板状晶体的可重复性合成。

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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

金刚石是一种用途广泛的极限功能材料,其极限性主要表现在机械、热学、光学、化学和电学等五个方面。宝石级金刚石可以最大限度的发挥金刚石的极限特性,而且随着科学技术的进步,市场上对宝石级金刚石大单晶的需求会日益膨胀[1-2]。通常情况下,板状宝石级金刚石大单晶可应用于单晶拉丝模、红外透明窗口和基底等,正是由于板状晶体的诸多用途,本文研究了板状宝石级金刚石大单晶的合成。本文所说的板状晶体指沿(100)生长面合成并且其高径比小于0.5的晶体,即:高径比=晶体高度/晶体直径＜0.5。

2010-08-17

李勇(1981-),男,吉林大学超硬材料国家重点实验室,博士研究生,从事宝石级金刚石大单晶的合成研究。