籽晶{100}晶面的形状对高温高压温度梯度法生长金刚石大单晶的影响

作     者：王遥 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马红安

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：高温高压 温度梯度法 金刚石合成 籽晶形貌 侧向生长 

摘      要：金刚石是一种极具价值的材料,它不但是一种珍贵的宝石,同时还具有多种优良的性质。比如,其具有极高的硬度,比金属铜还优异的导热性,极好的绝缘性,最宽的透光波带等种种极限性能。因此,金刚石在人们的生活、工业的发展以及尖端科研领域等方面都有重要的作用。随着时代的进步,人造金刚石材料在许多方面的性能已经超过了天然的金刚石,并逐渐取代了天然的金刚石材料被应用在了更广泛的领域。现有的金刚石合成模式,对籽晶的利用率低,合成金刚石形貌单一。随着人造金刚石应用范围的扩大,各行各业对其的需求也与日俱增,人造金刚石产能的局限性日渐突出。因此,提高人工合成金刚石的产能对人类社会的发展有着重要的意义。目前,高温高压温度梯度法是合成金刚石大单晶最主要的方式。相比于传统化学气相沉积法合成晶体的晶面受限于籽晶晶面的大小,高温高压温度梯度法却可以在很小的籽晶晶面上生长出很大的晶面。虽然籽晶是影响金刚石合成的重要因素,但在籽晶的使用方面,却缺乏对籽晶与合成晶体之间关系的认识。一方面在实际的合成过程中,只能使用精选出来的具有完整晶面的工业级金刚石作为籽晶,这样对于金刚石的产能以及人工都造成了浪费,增加了合成成本。另一方面,合成出的金刚石大单晶的形貌比较固定,使用前往往要经过大幅度的切割和打磨,提高了使用成本。因此,本文针对目前所存在的问题,在NiMnCo合金触媒体系中,高温高压下,首次开展了对温度梯度法体系中籽晶形貌与晶体形貌之间的关系的研究:成功的利用将{100}晶面切割成不同形状的金刚石籽晶合成出了高质量的金刚石大单晶。考察了籽晶与合成晶体之间的关系,并对合成晶体进行了SEM测试,从微观上研究籽晶形貌对合成金刚石晶体的影响。结果表明,长宽比小于2的不同形状的小长宽比{100}籽晶,对合成晶体的形貌影响不大,晶体的长宽比总会小于籽晶的长宽比。在籽晶长宽比过大的情况下,能够直接合成条状金刚石大单晶,但合成晶体的下表面容易出现缺陷。选用相同规格的条状籽晶,在相同的合成环境下,不断地延长合成时间。观察合成晶体长宽比随着合成时间的变化,并计算晶体的侧向生长速度。结果表明,在这种情况下,晶体的侧向生长速度在不同方向上是有差异的,并且生长速度还会随着合成时间的改变而发生变化。因此,晶体的长宽比会随合成时间的延长而减小。提升晶体的合成温度,使晶体形貌由低温晶型变为高温晶型,观察温度对合成晶体长宽比的影响。结果表明,由于温度的增加加速了晶面的生长,弱化了籽晶的作用。因此,籽晶对高温晶型长宽比的影响要弱于对低温晶型的影响。