金刚石合成理论及工艺
合成金刚石的主要机理
积分 G
P T P
G =∫
P
P 0
0 T
=∫
P 0
VdP
T
G 等温条件下： G = H
0 T 0 T 0 TST
T
VdP + G0
P 0
G
T
=∫
VdP + H0 T S0
T
T
此为一定温度下，反应自由能随压力的变化 温度T、压力P时反应自由能随压力的变化 GP T H0 T 温度T、压力0时反应热焓的变化
温度T、压力0时反应熵的变化 S0 T
V = V金刚石 V石墨 当 G =∫ T
P P 0
石墨、金刚石转变反应中二者的体积差
VdP + H0 T S 0 T = 0 表示在温度T、压力P的条件 T
下金刚石和石墨处于平衡状态。
从图中可以看到在常温298K时，
压力(×103) 100 90 80 ΔG<0 70 金刚石热力学 60 稳定区 50 ΔG=0 40 30 ΔG>0 石墨的热力 20 稳定区 10 0 1 000 2000 3000
H2=2H· CH4=CH3· +H· CH4+H· =CH3· +H2 由于CH3· 具有金刚石结构，而其悬挂键又被大量的氢原子所饱和，因此金刚石 膜表面就保持了稳定的sp3杂化结构，即金刚石的四面体结构。若其上沉积新的 碳原子，就可能与其键合形成sp3杂化键，从而形成金刚石晶体，如此循环反复 即可得到金刚石膜。
三、金刚石生长机理
（一）金刚石生长理论模型
（二）高压、低压下金刚石生长机理
（一）金刚石生长理论模型 1、原子氢择优腐蚀模型 Spitsyn等人认为碳氢化合物热分解石墨和金刚石 的生长速率处 于同一数量级。生长速率对金刚石是正的对石墨是负的，原子 氢对石墨以及其他非金刚石具有择优腐蚀的作用，提出超平衡 原子氢的择优腐蚀作用的观点，但是没有热力学的解释，因此 很难开展定量计算。
金刚石的人工合成
金刚石的人工合成摘要：简要介绍了常见的人工合成金刚石技术，以及合成过程中的一些影响因素。
关键词：金刚石人工合成合成工艺影响因素前言金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产,在国民经济中具有重要的作用。
为满足工业上的需求和缓解金刚石日益匮乏的现状,人类已经在合成金刚石方面作了许多的探索,并取得了许多有实用价值的阶段性成果。
金刚石中宝石级金刚石因其折射率大,在光下有火彩现象而用来制作精美的首饰。
人造金刚石具有诸多优异特性,已被广泛地应用于工业、科技、国防、医疗卫生等很多领域。
例如:利用金刚石硬度大制作精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模,还被作为很多精密仪器的部件;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板。
因此,人造金刚石被誉为“21世纪的战略性材料”。
因此对于人造金刚石的合成的研究具有非常重要的意义[1].金刚石的人工合成工艺金刚石、石墨及无定型碳都是由纯碳元素组成，合成钻石就是人为地模拟天然钻石的形成条件，将其他晶体结构的碳质材料在一定条件下转化为具有SP3 共价键的金刚石型晶体结构。
从理论上讲，各种形式的碳均可以转化为金刚石，但研究表明，不同的碳素材料对生长金刚石的数量、质量和颗粒大小均有相当大的影响，石墨转化为金刚石的自由能较低，因此石墨是合成钻石的最主要原料之一。
目前，人类已掌握了多种合成钻石方法。
人造金刚石的合成技术形成了静态高温高压法、动态超高压高温合成法、低压气相沉积法等[2]。
一般石墨在10GPa、3000℃左右可以转变成金刚石，如果加有金属触媒则所需要的条件将大为降低，通常在压力约为5．4GPa和温度约为1400℃的条件下就能发生转化。
常用的方法为合成条件较低的添加触媒催化的高温高压合成，即静态高温高压法。
这种方法中有生长磨料级金同q石(粒径小于1B)的膜生长法和合成宝石级金刚石(粒径大于lmm)的温度梯度法。
(1)膜生长法(FGM)金刚石膜生长法就是指在有金属触媒的参与下，石墨通过高温高压的作用透过金属膜沉积在金刚石核上使之长大[3]。
金刚石生产工艺流程
金刚石生产工艺一、生产工艺流程
金属粉
叶腊石石墨粉叶腊石合成触媒
微量元素
合成柱合成块电导石墨电导堵头
组装
烘干
液压机
砸散
电解
球磨
筛选
酸洗
碱洗
烘干
分选
包装
二、生产工艺简介
1、将原料叶腊石，按粒度为16目、24目，80目分选，然后按2：6：3的比例混合，混合
后在280 0C温度条件下焙烧l小时后制成内腔为中20mm的合成腔体，将破片的杂质和粉尘去掉，将触媒清洗后置入烘箱保持”℃恒温。
2、在内腔为中20 mm的合成腔体内分层交替装入碳片，触媒，两端客为两个碳片、碳片为
15片.触媒为12层，在两端的两个碳片外各装一个导电铜圈制成合成块，将合成块置于烘箱内，使之处于140℃恒温状态，保持9小时。
3
4
5
6
7、将球磨完的物料放入摇床进行石墨分离，该工艺主要利用金刚石和石墨在密度上的差
异，在往复摇动的倾斜工作面上，流体对其冲刷实现分离。
8、分选完的金刚石放入酸水中，进一步去除金属杂质，利用销售和王水等强氧化性酸，和
金属反应生成可溶性盐，经水洗即可去除金属杂质，化学反应式：
3Ni＋2HNO3＋6HCl＝3NICl2＋2NO↑＋4H2O
3Co＋2HNO3＋6HCl＝3CoCl2＋2NO↑＋4H2O
3MN＋2HNO3＋6HCl＝3MnCl2＋2NO↑＋4H2O
9、除叶腊石，将酸洗过的金刚石物料加入氢氧化钠进行高温煮沸，化学反应方程式：
Al2(Si4O10)(OH) ＋10NaOH→△→2NaAlO2＋4NaSiO3＋6H2O
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11。
金钢石的加工方法
金刚石（Diamond）的加工方法主要包括但不限于以下几种：
1. 直接制造法：
- 高温高压法（HPHT）: 通过模拟地球深处的极端条件，将石墨等碳质原料在高压（5-10GPa）和高温（1100-3000°C）下直接转化为金刚石。
此方法形成的金刚石通常为微米级别的多晶粉末，也可通过优化工艺制得单晶金刚石。
2. 外延生长法：
- 化学气相沉积法（CVD）: CVD技术是在较低的压力下，利用含有碳源（如甲烷、乙醇等）的气体在特定的温度和气氛中分解，并在固体基底（如金属或现有金刚石晶种）上一层层生长出金刚石薄膜或单晶金刚石。
这种技术可以生产出高品质的大面积单晶金刚石薄片，以及用于半导体工业的电子级金刚石。
3. 加工成型法：
- 切割和打磨：对于已经形成的金刚石原石，通过专业的金刚石切割工具进行形状切割，然后通过一系列精细打磨工序，最终制成宝石级的璀璨钻石或工业
级的刀具、磨料等产品。
这一过程中，需要用到专门的金刚石砂轮进行粗磨、细磨和抛光。
4. 聚晶金刚石加工：
- 聚晶金刚石（PCD）是由许多细小的金刚石颗粒在高温高压下烧结并与硬质金属基体复合而成的材料。
加工PCD通常涉及金刚石砂轮的磨削、放电加工（EDM）或电解磨削等特殊工艺。
综上所述，金刚石的加工方法涵盖了从原材料转化、晶体生长到成型和精加工等一系列精密的技术流程。
不同用途的金刚石产品会采用适合其特性的加工方法。
金刚石人工合成
三.化学气相沉积法（CVD）
化学气相沉积法法是在真空高温（或放电）条件下，激活提供的碳 基气体(如甲烷)，使之分解出碳原子和甲基原子等活性粒子，碳原 子在甲基和氢原子的作用下在选定的基片上沉积生长出金刚石薄膜
常用方法
高温高压法(HPHT)
动态高压法 静态高压法
化学气相沉积法（CVD)
一.动态高压法
科学家们从陨石高速坠落时冲击波作用于其中的石墨可产生金 刚石得到启发，利用动态高压法将石墨碳转变为碳在超高温超 高压下的稳定相——金刚石
即用爆轰法或冲击波法 , 在瞬间 (10-6s量级) 达到金刚石热力学稳定区 (3500K，20GPa) , 从而使部分碳实现了向金刚石的相变。
右图即为爆炸法制金刚石的简易 装置当然，此种方法得到的金刚 石往往含有较多的杂质，需要进 行复杂的分离与提纯操作
二.静态高压法（晶体触媒法）
与动态高压法相比，静态高压法指在相对较长的时间内, 合成温度、 压力都保持相对稳定, 进而实现金刚石的可控生长。
碳源，触媒和籽晶是此装置的基本组成部分。碳源处在 高温端，籽晶置于低温端，碳源和籽晶之间为触媒。在一 定的压力（5~6GPa）和温度（1300~1400℃）下，石墨转 化为金刚石并溶解于触媒中，由于触媒各部位温度不同而 导致金刚石在触媒中的溶解度不同，金刚石将由高温处的 高浓度区向低温处的低浓度区扩散，扩散下来的碳源直接 在籽晶表面上以金刚石的形态外延析出生长。
感谢聆听！
钻石恒久远，一颗永流传
金刚石的合成及宝石级金刚石单晶制备的基本技术
金刚石的合成及宝石级金刚石单晶制备的基本技术人造金刚石的合成基本原理是采用爆炸法、静压法、热压法和溶媒法等，在特制的炉内或容器内，借助于催化剂的作用，使碳处于超高压高温条件下，形成金刚石晶体。
宝石级金刚石单晶制备的基本技术如下：
1.提纯。
采用化学提纯和物理提纯两种方法，去除金刚石中的非金刚石杂
质，提高金刚石的纯度。
2.粒度分级。
采用选矿的方法，将金刚石按粒度分成不同等级。
3.晶体定向。
采用定向技术，使金刚石晶体沿一定的晶面和晶向生长。
4.形核衬底制备。
采用化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入等方法，在
衬底表面制备形核衬底。
5.形核。
在衬底表面或内部形成金刚石晶核。
6.长大。
使金刚石晶核不断生长，直至获得宝石级金刚石单晶。
金刚石的合成机理
两合成片中间的石墨 a 合成温度稍低，大的片状 b 合成温度适中，适中片状 c 合成温度稍高，细小片状
3.催化剂合金中碳的浓度梯度
石墨电阻 0.1Ω•cm，合金电阻 10-6 Ω•cm 石墨是发热体，石墨局部温度高于合金片 温度，局部的温度梯度 在石墨和合金的界面有温度陡降，这导致 在合金中碳的浓度梯度。 M C
3.靠近金属膜的石墨形貌
高温高压下石墨相变成金刚石的过程中， 实验现象之一是：金刚石晶体外面有一层 厚度为几微米的金属膜，石墨通过金属膜 长到金刚石晶体上。 将金刚石去掉，金属膜用HNO3腐蚀掉，露 出靠近金属膜石墨形貌，如图。
靠近金属膜的石墨的形貌 a 靠近金属膜的石墨 b、 c、 d 是该石墨的逐渐放大像
区分：
高温高压下石墨在熔化的合金中再结晶的 形态
石墨在熔化合金中呈原子分散态，或很小 的碳原子集团的分布态，在合金冷却后， 由于碳过饱和结晶而析出的石墨形态。过 饱和析出的石墨呈单个球形。
合金中渗碳后的碳化物形貌 a 类奥氏体 b 类莱氏体
高温高压卸压后导致合金冷凝,石墨析出并结晶成球形, 生长位置在合金中靠近碳化物处,属温度较低位置
第五节 液晶态逐层转化说
自学
第六节 石墨再结晶与金刚石生 长
1. 2. 3. 4.
高温高压条件下石墨的再结晶 温度、压力对结晶石墨的影响 石墨-合金界面 金刚石的石墨再结晶生长模式
一、 高温高压条件下石墨的再结晶
1. 2. 3. 4.
多晶石墨的微结构 石墨未进入催化剂中的再结晶 催化剂合金中碳的浓度梯度 多晶石墨在催化剂合金内的再结晶
μ3
化 学 位
μ2
造成过饱和的原因是石 墨与金刚石在热力学上 的势差。解释如下：
高温高压合成金刚石的工艺
高温高压合成金刚石的工艺高温高压合成金刚石的工艺引言：金刚石是一种非常重要且广泛应用的超硬材料，具有出色的物理和化学性质。
高温高压合成金刚石工艺是目前制备金刚石的主要方法之一。
本文将介绍高温高压合成金刚石的基本原理、工艺流程以及对其进行的改进。
一、高温高压合成金刚石的基本原理高温高压合成金刚石是利用静压装置和高温炉对碳源和金属催化剂进行加热和压制，通过超高压和高温下，使碳与金属反应从而形成金刚石。
该过程主要依靠碳源的高温高压下的热学和动力学条件以及金属催化剂的催化作用。
二、高温高压合成金刚石的工艺流程1. 材料准备：准备金刚石合成所需的原料，主要包括碳源（例如石墨）、金属催化剂（如铁、钴）以及溶剂（如钴、霓虹气体）等。
2. 压制装备搭建：搭建静压装置，将所需材料置于高压容器中，并将容器密封。
3. 进行高温高压处理：通过扩散法和液相法制备金刚石，利用高温高压，将碳和金属催化剂反应生成金刚石。
4. 降温和压力释放：待金刚石合成完成后，将高温高压装置自然冷却，降温至室温，并释放容器内部压力。
5. 金刚石材料处理与加工：取出合成的金刚石材料，进行后续的形状修整、切割、抛光等处理。
三、高温高压合成金刚石的工艺改进1. 压制条件优化：通过改变压力、温度、时间等参数，优化合成金刚石的质量和产率。
2. 添加助熔剂：在高温高压过程中，添加助熔剂可以降低石墨结构中的晶界能量，从而促进金刚石的形成。
3. 催化剂设计：改进金属催化剂的种类和组成，提高合成金刚石的效率和质量。
4. 新型杂质控制：通过控制合成过程中的杂质含量和分布，减少合成金刚石中的缺陷和不纯物质。
5. 辅助技术应用：引入电磁场、超声波等辅助技术，提高金刚石合成的效果和速度。
四、高温高压合成金刚石的应用1. 工具领域：高速切削工具、磨料、磨具等。
2. 光学领域：窗口材料、透镜、激光器元件等。
3. 电子领域：半导体材料、电子器件、芯片加工等。
4. 超硬材料领域：用于加工高硬度材料的切削工具、磨料工具等。
金刚石生产工艺
金刚石生产工艺金刚石是一种坚硬耐磨、导热性能良好的超硬材料，广泛应用于工业领域。
金刚石的生产工艺主要有自然生长和人工合成两种方式。
自然生长的金刚石是通过地壳中的碳元素在高温高压下形成的，需要经过数亿年的时间才能形成。
自然形成的金刚石通常存在于金刚石矿床中，通过矿山开采后进行加工。
加工工序主要包括金刚石的分选、切割、成形、抛光等。
首先，金刚石原矿需要进行分选。
因为原矿中不同部位的金刚石质量和性能存在差异，所以需要对原矿进行分级，选取质量较好的石块进行下一步加工。
然后，通过切割将金刚石原块切割成适当形状的块体。
切割通常使用金刚石切割片，通过机械设备进行加工。
切割后的金刚石块体可以根据需要进一步加工成不同形状的工件。
接下来，金刚石块体需要进行成形。
成形通常使用金刚石磨具进行加工，通过切削、磨削等方式将金刚石块体加工成所需形状。
成形工艺需要严格控制温度、压力和切削速度等参数，以保证金刚石的质量和性能。
最后，金刚石工件需要进行抛光加工以提高光洁度和光亮度。
抛光通常使用金刚石磨料和液体磨料进行磨削，通过摩擦和多次精细加工，使金刚石表面光亮度得到提升。
除了自然生长的金刚石，还有人工合成的金刚石。
人工合成金刚石是通过模拟自然产生金刚石的条件，在实验室或工业环境中合成的。
人工合成金刚石的工艺主要有高温高压法、化学气相沉积法和聚结金刚石法等。
高温高压法是最早用于合成金刚石的方法，它模拟了地壳中金刚石形成的条件，通过碳源和金刚石晶种在高温高压条件下反应，从而形成金刚石晶体。
该方法需要较长的时间和高温高压设备，适用于大批量生产金刚石。
化学气相沉积法是一种在低温下合成金刚石的方法。
通过将气体中的碳源和金属催化剂反应，使金刚石晶体在衬底上沉积生长。
该方法生产周期短，适用于小批量生产金刚石薄膜。
聚结金刚石法是通过将金刚石微粉与金属粉末等混合物加热高温压制而成。
该方法可在常温条件下合成金刚石工件，适用于小规模和特殊形状的金刚石制品。
高温高压法合成金刚石过程
高温高压法合成金刚石过程高温高压法合成金刚石过程引言：金刚石作为一种重要的超硬材料，具有极高的硬度和热导率，广泛应用于工业和科学领域。
然而，金刚石在大自然中的生成非常罕见，因此，人工合成金刚石成为了满足市场需求的重要途径之一。
其中，高温高压法合成金刚石是最常用的方法之一。
一、高温高压法合成金刚石的原理高温高压法合成金刚石是通过模拟地球深部的高温高压条件，在实验室中促使石墨发生结构转变，形成金刚石晶体。
该反应基于以下两个原理：1. 高温条件：金刚石的形成需要极高的温度条件，通常在1500°C～2500°C之间。
这是因为石墨的结晶结构比金刚石的结构更稳定，而高温能够打破石墨结构，并促使分子重新排列，形成金刚石晶体。
2. 高压条件：金刚石的形成还需要极高的压力条件，通常在50,000大气压（5GPa）以上。
在高压下，石墨的原子之间的距离会变得更近，从而促使原子重新排列形成金刚石晶体。
二、高温高压法合成金刚石的步骤高温高压法合成金刚石的过程通常包括以下几个步骤：1. 准备石墨和金刚石种子：首先，需要准备高纯度的石墨粉末和金刚石种子。
石墨粉末应该具有高度结晶的纯度，并且没有其他掺杂物。
金刚石种子通常是由天然金刚石晶体制备而成。
2. 反应室装填：将石墨粉末和金刚石种子放入反应室中，并加入金属催化剂，如钴、镍或铁。
金属催化剂在反应中起到促进石墨结构转变的作用。
3. 加热：将反应室置于高温炉中，升温至所需的温度。
一般情况下，加热速度较慢，以确保温度均匀分布。
4. 施加压力：加热后，开始施加极高的压力。
通常使用的压力来源是金刚石压机，它能产生足够的压力将石墨转变为金刚石。
5. 保持温度和压力：在一定的时间范围内，保持所需的温度和压力，使金刚石晶体得以长大。
通常，该过程需要几分钟到数小时的时间。
6. 冷却和释放压力：保持温度和压力一段时间后，将反应室从高温高压环境中取出，迅速冷却至室温，并释放压力。
高温高压法合成金刚石
高温高压法合成金刚石高温高压法合成金刚石引言：金刚石是最硬的天然物质之一，由碳原子通过特殊的结晶过程形成。
然而，金刚石也可以通过人工合成的方法制造。
其中较为常见的方法是高温高压法（High-PressureHigh-Temperature，HPHT）。
本文将详细介绍高温高压法合成金刚石的原理、过程以及应用。
一、高温高压法合成金刚石的原理高温高压法合成金刚石是一种人工合成金刚石的方法，利用高温和高压的条件，以碳原子为原料，在合适的催化剂作用下，通过结晶过程形成金刚石。
这种方法基于金刚石的高温稳定性和形成金刚石的热力学可逆性。
二、高温高压法合成金刚石的过程高温高压法合成金刚石的过程主要分为两个关键步骤：原料制备和高温高压反应。
1. 原料制备：合成金刚石的原料主要是纯度较高的碳源，如石墨粉或碳黑。
为了提高合成金刚石的质量，通常需要特殊处理原料，例如石墨石材需在高温下长时间亚氧化处理，以提高其纯度。
此外，还需要选择合适的催化剂，如镍、铁、钴等。
2. 高温高压反应：将处理后的原料放置在一个高温高压装置中，一般使用类似于金属丝网形状的石墨容器包裹原料。
通常，在高温高压下，金属丝网容器中的碳源与催化剂反应，形成金刚石的结晶核，然后在高温高压下逐渐生长，最终形成金刚石。
在整个过程中，温度、压力和反应时间等参数需要严格控制，以确保金刚石的质量和产量。
三、高温高压法合成金刚石的应用1. 工业领域：高温高压法合成的金刚石具有极高的硬度和热导率，因此在工业领域有广泛的应用。
例如，金刚石可用于制造高硬度切削工具、钻头、镶嵌在磨具上，以及用于刮擦和研磨工艺等。
此外，金刚石也可用于生产光学器件、冷却材料和高温高压电子设备等。
2. 宝石市场：高温高压法合成的金刚石在宝石市场中也有一定的应用。
由于其质量可控，在商品市场上供应稳定，具有相对较低的价格，因此合成金刚石被广泛用作替代天然金刚石的宝石，如首饰、戒指等。
3. 科研领域：高温高压法合成金刚石在科研领域中也有重要的应用。
CVD合成金刚石简介
检测方法FT-IR，XRR，拉曼这个方法是一个俄罗斯人首先提出的，由此可见俄罗斯人的确很牛。
这种方法可以合成大面积金刚石薄膜，大面积哦，这是由于现在可以得到很大规模的等离子体，所以这种方法在研究领域可谓不可多得，只用甲烷就可以得到大面积的金刚石。
CVD金刚石可以用各种方法合成，其中晶粒生长速度最快的则为热等离子体CVD工艺。
我们试验室过去曾试图用DC等离子体CVD工艺合成金刚石厚膜，并就膜与基底的附着强度和膜的性质作过探讨。
但是，热等离子体工艺存在沉积面积和膜质量都不如其它CVD工艺等问题。
CVD金刚石薄膜应用中对扩大沉积面积有着强烈的需求。
金刚石在所有已知物质中具有最高的硬度、高耐磨率、良好的抗腐蚀性、低的摩擦系数、高的光学透射率(对光线而言从远红外区到深紫外区完全透明) 、高的光学折射率、高空穴迁移率、极佳的化学惰性,既是热的良导体,又是电的绝缘体,掺杂后可形成P和N型的半导体。
金刚石有如此多优异性能,因而在国民经济上有着广泛的用途。
金刚石从真空紫外光波段到远红外光波段对光线是完全透明的，因此金刚石膜作为光学涂层的应用前景非常好，可用作红外光学窗口和透镜的保护性涂层。
以及在恶劣环境下工作的红外在线监测和控制仪器的光学元件涂层。
在工业制造领域，需要大量轻量化、高强度的材料，用具有高硬度、高耐磨性的金刚石制成的刀具有长寿命、高加工精度、高加工质量等优异特性，而将金刚石薄膜直接沉积在刀具表面不仅价格大大低于聚晶金刚石刀具，而且可以制备出具有复杂几何形状的金刚石涂膜刀具，在加工非铁系材料领域具有广阔的应用前景。
金刚石在室温下具有最高的热导率，又是良好的绝缘体，因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电子器件的理想散热材料。
金刚石能掺杂为P和N型的半导体,与现有半导体材料相比，具有最低的介电常数，最高的禁带宽度，较高稳定性,很高的电子及空穴迁移率和最高的热导率,性能远优于Si半导体,是替代Si的理想材料。
一种金刚石及其制备方法
一种金刚石及其制备方法
金刚石是一种碳元素形成的晶体结构，具有极高的硬度和热导率，常用于制备切削工具、磨料和电子器件等。
金刚石的制备方法有以下几种：
1. 高压高温法：将含有类似金刚石结构的碳源和金属催化剂置于高压高温条件下反应，可以使碳原子重新组合形成金刚石结构。
这种方法需要使用高压高温设备，如产生高温和高压的立方体超压机。
2. 化学气相沉积法：在一定温度和压力条件下，将含有碳源和氢气的气体混合进入反应室中，通过化学反应使碳原子从气相中沉积出来形成金刚石膜。
这种方法常用于制备薄膜金刚石材料，如用于涂覆刀具表面增加硬度和耐磨性。
3. CVD法（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积法）：在一定的温度和压力条件下，将含有碳源和一定量的化学气体混合进入反应室中，通过化学反应使碳原子从气相中沉积出来形成金刚石晶体。
这种方法比较常用于制备金刚石单晶。
4. HFCVD法（Hot Filament Chemical Vapor Deposition，热丝化学气相沉积法）：在一定的温度和压力条件下，将含有碳源和氢气的气体混合进入反应室中，同时使用加热的金属丝（如钨丝）作为催化剂，通过化学反应使碳原子从气相中沉积出来形成金刚石膜。
这种方法比较常用于制备金刚石涂层。
这些方法可以根据具体应用需求选择，能够制备出金刚石的不同形态和尺寸的材料。
金刚石 晶圆级 制备
金刚石晶圆级制备金刚石是一种重要的超硬材料，具有优异的物理和化学性质。
晶圆级制备是指将金刚石材料制备成具有高质量晶体结构的圆片，常用于半导体行业和光学领域。
本文将介绍金刚石晶圆级制备的工艺和应用。
金刚石是一种由碳元素组成的同素异形体，其晶体结构呈面心立方结构。
金刚石具有极高的硬度和热导率，同时还具有优异的化学稳定性和光学特性，使其成为制造高性能工具和光学器件的理想材料。
金刚石晶圆级制备的关键在于选择合适的原料和优化制备工艺。
通常使用高纯度的天然金刚石或合成金刚石颗粒作为原料，经过研磨和筛分等处理，得到具有一定粒径分布的金刚石粉末。
然后，将金刚石粉末与金属催化剂混合，在高温高压条件下进行热处理，通过碳源在金属催化剂的作用下沉积在金刚石颗粒表面，从而实现金刚石的晶圆级制备。
金刚石晶圆级制备的工艺条件需要精确控制，包括温度、压力和时间等参数。
通常采用高温高压合成方法，将金刚石粉末与金属催化剂置于钻石压机中，在高温高压下进行反应。
此外，还可以采用化学气相沉积、化学气相淀积和化学汽相沉积等方法进行金刚石晶圆级制备。
金刚石晶圆级制备后，需要进行后续处理和加工，以获得所需的尺寸和表面质量。
通常采用切割、研磨和抛光等工艺，将金刚石晶圆加工成具有平整表面和高度精确尺寸的圆片。
此外，还可以通过化学机械抛光和离子束抛光等方法进一步提高金刚石晶圆的表面质量和平整度。
金刚石晶圆级制备的应用广泛。
在半导体行业，金刚石晶圆可用作衬底材料，用于制备高功率和高频率电子器件。
金刚石晶圆的高热导率和优异的机械性能，使其成为高功率电子器件的理想材料。
在光学领域，金刚石晶圆可用于制备激光器和光学窗口等光学器件。
金刚石具有宽透过光谱范围、高激光损伤阈值和良好的热稳定性，使其成为光学器件的重要材料。
金刚石晶圆级制备是一项关键的工艺，通过优化原料选择和制备工艺，可以制备出高质量的金刚石晶圆。
金刚石晶圆广泛应用于半导体行业和光学领域，发挥着重要的作用。
高温高压合成金刚石的机理，工艺及特征探讨
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]。
金刚石的人工合成
金刚石的人工合成摘要：简要介绍了常见的人工合成金刚石技术，以及合成过程中的一些影响因素。
关键词：金刚石人工合成合成工艺影响因素前言金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产,在国民经济中具有重要的作用。
为满足工业上的需求和缓解金刚石日益匮乏的现状,人类已经在合成金刚石方面作了许多的探索,并取得了许多有实用价值的阶段性成果。
金刚石中宝石级金刚石因其折射率大,在光下有火彩现象而用来制作精美的首饰。
人造金刚石具有诸多优异特性,已被广泛地应用于工业、科技、国防、医疗卫生等很多领域。
例如:利用金刚石硬度大制作精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模,还被作为很多精密仪器的部件;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板。
因此,人造金刚石被誉为“21世纪的战略性材料”。
因此对于人造金刚石的合成的研究具有非常重要的意义[1].金刚石的人工合成工艺金刚石、石墨及无定型碳都是由纯碳元素组成，合成钻石就是人为地模拟天然钻石的形成条件，将其他晶体结构的碳质材料在一定条件下转化为具有SP3 共价键的金刚石型晶体结构。
从理论上讲，各种形式的碳均可以转化为金刚石，但研究表明，不同的碳素材料对生长金刚石的数量、质量和颗粒大小均有相当大的影响，石墨转化为金刚石的自由能较低，因此石墨是合成钻石的最主要原料之一。
目前，人类已掌握了多种合成钻石方法。
人造金刚石的合成技术形成了静态高温高压法、动态超高压高温合成法、低压气相沉积法等[2]。
一般石墨在10GPa、3000℃左右可以转变成金刚石，如果加有金属触媒则所需要的条件将大为降低，通常在压力约为5．4GPa和温度约为1400℃的条件下就能发生转化。
常用的方法为合成条件较低的添加触媒催化的高温高压合成，即静态高温高压法。
这种方法中有生长磨料级金同q石(粒径小于1B)的膜生长法和合成宝石级金刚石(粒径大于lmm)的温度梯度法。
(1)膜生长法(FGM)金刚石膜生长法就是指在有金属触媒的参与下，石墨通过高温高压的作用透过金属膜沉积在金刚石核上使之长大[3]。
几种人造金刚石生产工艺介绍
几种人造金刚石生产工艺介绍来源：中国超硬材料网2012-08-03 字号：T | T1910 年布里奇曼设计出压强达2 万公斤/厘米2 的高压装置。
1953 年美国通用电气公司在他的装置基础上设计一种高压装置并利用它在1955 年首次合成了金刚石。
这种方法也就成为传统的人造金刚石的生产方法。
六面顶压机生产工艺：以六面顶压机及工艺技术生产人造金刚石和立方氮化硼，是我国具有完全知识产权、不同于其他各国的创新成果，是几代中国科学家和广大工程技术人员智慧的结晶，是我们国家超硬材料行业的骄傲！六面顶压机及其工艺方法以令两面顶方法为荣的发达国家科技人员刮目相看！物美价廉的六面顶压机及其生产超硬材料的独特方法已能经济地生产出世界先进水平的产品，逼着他们不得不引进中国的六面顶压机进行研究和生产。
经过半个世纪的发展，金刚石生产工艺又有了许多新的突破，现简要介绍如下：低压气相沉积（ＣＶＤ）技术取得重大进展该方法包括热丝CVD和等离子放大CVD，是令CH4/H2，CH4/N2和CH4/Ar 等能提供碳原子的气体，在低压及高温的条件下，在合适的的底物(如Si, c-BN, SiC,Ni, Co, Pt, Ir and Pd等)上进行沉积，从而获得高性能，高纯度的金刚石薄膜。
下图为微波等离子放大CVD的设备示意图：用C60 生产金刚石薄膜据英国《新科学家》1994 年7 月30 日报道，美国伊利诺伊阿贡国家实验室的迪特尔·格伦（Dieter Gruen）发明了用C60 生产金刚石薄膜的技术，该方法可以说是对CVD 方法的改进。
CVD 法生产的金刚石薄膜生长速度往往较慢，并且会含有少量的氢，而氢会使金刚石的四方晶体变形，从而会损害金刚石薄膜的有用性能。
格伦的新方法是在氩气保护下，用两个碳电极之间的电弧高温产生含C60 分子的烟尘，然后对烟尘施加微波放电，通过放电使C60 中碳原子对破坏，然后碳原子再连接成双碳二聚物，这种双碳二聚物的特点是能快速的和工具或光学元件等表面结合，形成没有氢原子的接近于纯金刚石的膜。
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1.金刚石的性质和用途。
金刚石是一种在机械、热学、光学、化学、电子学等方面具有极限性能的特殊材料。
图1为金刚石的空间晶格的一个晶胞。
与其他材料相比，金刚石具有最大的原子密度(MGatoms/nn?),最大可能的单位原子共价键数目(4),极强的原子键合能(7.4eV)。
这使得金刚石具有许多极限性质：最高硬度，最高热导率，最髙传声速度，最宽透光波段，抗强酸强碱腐蚀，抗辐射，击穿电压高，介电常数小，载流子迁移率大，既是电的绝缘体，又是热的良导体，而掺杂后又可成为卓越的P型或N 型半导体。
图1立方金刚石的晶胞空间结构示意图人造金刚石的应用领域十分广泛，几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。
金刚石的推广应用在光学玻璃冷加工、地质钻探、瓷、汽车零件等机械加工，金属拉丝等方面引起了个革命性的工艺改革。
表1列出了金刚石的一些极限性能和用途。
表1金刚石的一些极限性能和用途由于金刚石的优越性质，长期以来它一直成为人们感兴趣的研究对象。
早在1772年,法国化学家Antoine L. Lavoisier发现金刚石燃烧的产物是C02, 1792 年，S. Tennan 发现金刚石是碳的一种结晶形态。
从此，人类开始了对人工合成金刚石的探索。
1880年，J. B.Hanney从锂、骨粉和矿物油在干燥的铁管中加热合成了金刚石，现列于大英博物馆。
1893年，诺贝尔奖获得者Henry Moissan 发展了一种方法，用电加热炉加热糖、木炭和铁至熔融，然后用水急冷做了合成金刚石的尝试，后来经证实并未获得成功。
二十世纪四十年代，另一个诺贝尔奖获得者哈佛大学的Percy Bridgman设计了许多优秀的高压设备(有的压力超过了5GPa),并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。
虽然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石，但是他的热力学的计算为髙温高压(HTHP)合成金刚石提供了理论依据o 1953年2月15日瑞典ASEA(General Electric Company of Sweden)的科学家宣称合成出人造金刚石，但由于其工作没有正式发表，没能获得广泛的承认，他们使用的是六面顶压机，样品由FeQ和石墨组成。
人类首次真正合成金刚石是1954年12月16日美国GE公司的H. T. Hall, F. P. Bundy, H. M. Strong, R. H. Wentorf四位科学家率先完成，他们使用两面顶压机合成了金刚石，样品由FeS和石墨组成。
GE公司的科学家继续研究使用金属触媒合成金刚石，金属触媒主要由九种Villa族原子(Fe,Co,Ni,Ru,Th,Pd,Os,Ir,Pt)和三种过渡族金属(Mn,Cr,Ta)1961年，有人使用爆炸法使石墨直接转换成金刚石, 1963年，GE公司首次在静态高0压12Gpa下不使用任何触媒把石墨直接合成了金刚石。
1970年，GE公司的Strong和Wentorf首次合成出了宝石级大颗粒金刚石，压力和温度得到了精确的控制，碳源使用小颗粒金刚石晶体以防止石墨金刚石转化中的压力降低，晶种放在热区使碳源扩散到冷区形成新的金刚石核。
继美国、瑞典、前联和日本之后，我国在1963年成功地合成出了人造金刚石，成为早期能够合成金刚石的少数国家之一。
目前，磨料级金刚石的生产已经形成为一个庞大的产业，我国金刚石的生产总量已经超过世界其他国家的生产总和。
在低压合成金刚石方面，碳化物联合公司(Union Carbide Corp.)的W. G. Eversole于1952-1953年在低压下在金刚石籽晶上成功地生长了金刚石，并得到了重复结果。
几乎同时，瑞典人H. Liander于1953年合成了低压金刚石。
自1956年起，联人B.Deryagin在低压合成金刚石方面进行了长期大量的工作。
开始于1974年的日本国立无机材料研究所的亚稳态金刚石生长研究开辟了金刚石低压合成的新时代。
其主要人员有N. Setaka、S. Matsumoto、M. Kamo Y. Sato等。
自1982年始，他们发表了一系列文章，报道了用微波等离子体法(MPCVD)、直流放电等离子体法(dc-PACVD)、射频辉光放电等离子体法(rf-PACVD) 和热丝分解气体法(HFCVD)合成金刚石，速率达几nm/h,而且不需用金刚石籽晶；其反应气体由碳氢化合物及过量的氢气组成，并强烈依赖原子氢的产生。
这使得金刚石薄膜的制备技术进入了一个新阶段，并开始了金刚石作为功能性新材料应用的新时期。
3.人造金刚石的主要合成方法。
人造金刚石的合成方法有高压髙温法和低压法，高压高温法分为间接静压法和直接动态法，低压法包括气象沉积法或亚稳定生长法。
其中间接静压法是一项成熟的制造技术，大约有90%的工业用金刚石采用这种方法合成，因为这种方法能够保证产品有可重复的尺寸、形状和韧性(或脆性)。
高压高温间接静压法合成金刚石用的触媒在形态上有两种，一种是片状触媒，一种是粉末触媒，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。
粉状触媒适用的石墨也是粉状的，二者经充分混合，压制成型后进行高压髙温之合成。
4.金刚石中氮元素的存在状态。
由于碳、氮原子半径极为相近，所以氮很容易占据金刚石的晶体格点位置，取代碳原子，形成色心，所以大多数人造金刚石显黄色。
根据氮原子在金刚石中含量和取代形式，把金刚石分为：1)Ia型金刚石氮以聚集态形式存在。
大部分(98%)天然金刚石都属于la型。
根据氮的取代位置不同又分为：IaA型：金刚石中氮杂质主要以替代式原子对存在；IaB型：金刚石中氮杂质四面体形式存在；2)Ib型：氮杂质以单一替代原子形式存在，金刚石含弥散的氮，呈黄色，人造金刚石主要属于此类。
3)Ila型：含极微量的氮4)IIb型:含硼。
5.氮元素对金刚石的影响和引入意义。
金刚石中氮是最常见的微量杂质，而氮杂质作为天然金刚石和人造金刚石中的最主要的缺陷，直接决定着金刚石的大多光学性质，并对晶体本身的热学，电学和机械性质也有重要影响，从而影响到金刚石在工业发展和科学技术中的潜在用途。
在天然金刚石和髙温高压合成金刚石中，杂质氮在晶格中的存在状态有明显不同，所以它们的某些物理化学性质也有较大差异，尤其是在颜色，硬度，热导率等方面差别显著，在天然金刚石合成机理方面，还存在一些争议，而对杂质氮更深层次的研究会有助于理解天然金刚石的合成机理。
在天然金刚石中，氮含量从小于lppm到几千ppm之间都会存在，目前已知氮杂质最高含量可达3000〜5000ppm,而用金属触媒人工合成出的金刚石中，杂质氮的最高含量大约800ppm oH. Kanda等在1999年利用非金属触媒硫酸钠在7. 7GPa, 2000°C合成出IaA 型金刚石，其氮含量在1200〜1900ppm,这在当时是人工合成的含氮量最髙的金刚石。
到2002年，Y. Borzdov等利用非金属触媒Fe：：N在7GPa,1550〜1850°C合成出IaA/Ib 混合型金刚石，氮含量在3300ppm左右，已经接近自然界氮含量最高的天然金刚石。
第一章金刚石合成的溶剂理论自美国G.E.公司的科学家于1955年首次用金属催化剂与石墨在高温高压条件下(溶剂法)成功地合成出金刚石以来，人们又相继找到了一些其他的金刚石合成方法，如：爆炸法、气相合成等方法。
在经历了近半个世纪的关于金刚石合成的研究与探索中，人们发现：能够成功地造福于人类、可以进行大规模工业化生产的金刚石合成方法仍然是G.E.公司早期发明的溶剂法。
因此，有必要深入地研究溶剂法的合成机理，加深理论认识，以便进一步指导具体的生产实践。
在解释石墨如何向金刚石转化的机理问题中，曾出现过很多的理论。
其中具有代表性的有结构对应原理和溶剂理论。
由于溶剂说可以成功地解释为什么石墨在高温髙压条件下的熔融金属中可以实现向金刚石的转化、金刚石的成核与生长等诸多的其他理论难以统一解释的机理性问题，因此溶剂学说在国际上获得了普遍的认可与接受。
1.1纯碳素体系中的石墨和金刚石的相平衡金刚石与石墨是碳的同素异形体，常压下石墨是稳定相(图-i・处于化学势低的相是稳定相。
在碳的P-T相图(图-1.1)的不同区域，金刚石与石墨的化学势成如下关系:区)A" > (G 区) (2)吩兀(两相交界线) (3)(1)-(3)式表明，在石墨与金刚石两相平衡的条件下，石墨的化学势圧和金刚石的化学势"7相等，不存在相变的驱动力；在偏离平衡的条件、存在化学势差时，化学势高的相向化学势低的相转化。
石墨向金刚石转化的驱动力可由金刚石与石墨的化学势差表示为：P) = 〃；(T,P)-氏(T,P) .......................................... . . (4)△“(7\P) = 3(7\0) +j* Hu(T、P )dP2(T,P) = £(T、P) — 0(T、P) (6)分别为金刚石和石墨的化学势。
(5)式表明，即使常压下石墨是稳定相(△“(7\0)>0),由于△ u(7\O)vO (常压下石墨和金刚石的摩尔体积分别为5.3 cm? mol和3. 4 cmVmol) o在足够髙的压力和温度条件下可使△“(7\P)vO,发生石墨向金刚石的转化。
在平衡条件附近，(5)式可改写为△“(T,P) = f ： \v (T,P)clP =\u (T.P)(P-P eo ) ........................................... ⑺ 几表示平衡压力，5P = P-P eo 被称之为过剩压力。
即：石墨向金刚石转化 的驱动力与过剩压成正比。
经过计算可知，在1500-2000K 的温度围，平衡压力与温度成如下关系：氏=0・0032T(GPa) (8)图-1・1碳素的宀卩相图1. 2溶剂-碳素系中的石墨和金刚石的平衡当今金刚石的工业化生产仍然依靠的是溶剂法。
Ni 及其它的3d 族金属或者 由它们构成的合金，在高温高压条件下与碳素共融、形成溶解碳素的溶液。
在溶302010D 1000 2D00 3000 4000 5000Temperature (K)(Ede七二SSUJd液-碳素系中，相平衡关系可以表示为公式(9)的形式。
其中，“；为溶液中碳素的化学势。
Strong 和 Hanneman 出色地由 于Ni-C 系溶液中C 的溶解度以及石墨或金刚石中Ni 的固溶度均非常低，所以可 以用H ■处理Ni-C 系。
固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持 溶剂类型的合金相.固溶度是指固溶体中溶质的最大含量，也就是溶质在溶剂中的极限溶 解度。
通常利用X 射线衍射仪测定晶胞常数的变化及是否出现第2晶相来研究溶解的极限量。