晶体缺陷与强度理论

《晶体缺陷与强度理论》课程考查论文人造金刚石晶体缺陷的研究

南京航空航天大学

二О一二年四月

人造金刚石晶体缺陷的研究

摘要：本文采用同步辐射白光貌相术对四组采用不同生长条件合成的金刚石晶体进行了研究。研究结果表明，同种生长条件合成的金刚石晶体缺陷特征具有相似性，而不同生长条件合成的金刚石晶体缺陷则具有较大的差异。采用同步辐射白光貌相术观察到晶体中存在籽晶，籽晶周围存在着大量的位错线。分析了晶体的生长阶段和影响晶体缺陷的主要因素，指出通过减少籽晶表面的缺陷，保持生长条件的稳定，能够有效地降低合成金刚石晶体中缺陷的密度，提高合成金刚石晶体的完整性。

1引言

由于金刚石晶体具有高硬度、弱吸收和极好的热导率等优良的物理性质，使其在科技、工程等领域具有非常广泛的用途。然而天然金刚石资源有限，因此人造金刚石已成为满足各个科技、工程领域的重要物质来源。晶体中缺陷的研究是晶体研究的一个基本问题，合成金刚石的缺陷对合成金刚石的质量有着至关重要的作用，影响着金刚石的各项物理性能[1]。因此，对合成金刚石晶体缺陷的研究具有非常重要的意义，有必要对合成金刚石的缺陷进行深入研究，同时寻找更好的实验观察方法。

目前，许多国家都在致力于金刚石晶体缺陷的研究，如Wierzchowski等采用X射线貌相技术研究了合成金刚石的晶格参数，Freund等采用单色X射线发光技术研究了合成金刚石的完整性[3-4]。也有一些学者采用透射电子显微技术研究合成金刚石的形貌及缺陷，如Yin等运用透射电子显微技术研究分析了合成金刚石单晶体中位错、层错、亚晶粒等晶体缺陷。随着同步辐射技术的不断发展，许多学者采用同步辐射的方法对金刚石晶体缺陷进行了研究。是金刚石晶体缺陷研究更加方便、准确。

为了能够计算晶体中缺陷的空间方向，前人主要采用单色光作为光源进行研究，并提出了立体貌相对等方法来实现对晶体缺陷的立体观察。由于利用单色光实验效率很低，晶体调节复杂，并且每次只能拍摄到一张形貌像，作者提出了利用自光貌相术计算晶体缺陷空间走向的实验和计算方法。利用这种方法，对合成与天然金刚石晶体中的位错与层错等缺陷进行了研究，计算了这些缺陷的空间参数。采用同步辐射白光作为光源还可以一次拍下同一晶体不同衍射的多个形貌像，能够提高实验效率。

2 不同条件下合成金刚石晶体缺陷的特征

2.1 实验介绍

实验中的样品均为超硬材料研究中心合成的金刚石晶体。A组样品编号为A1～A12，呈黄褐色，主要是由立方体、八面体或菱形十二面体组成的聚形。B 组样品编号为B1～B2，无色，（111）面发育。C组样品编号为C1～C4，无色，（111）面发育。D组样品编号为D1～D2。褐色，主要是由立方体、八面体或菱形十二面体组成的聚形。

在设定好样品的初始位置、样品与底片距离、电子束流强度的条件下，曝光时间1.5～2s，拍下一个样品的第一张形貌像。为了能够确定晶体中各缺陷所处的空间位置并能够进一步确定缺陷的空间走向与方位，使我们能够更好的进一步分析晶体缺陷，在拍完一张衍射形貌像后可以将晶体旋转一定角度，拍摄X射线从不同角度射入晶体所形成的形貌像，综合几张形貌像来分析晶体的内部缺陷。

2.2 实验结果分析

在A组样品的多个同步辐射衍射斑点的形貌像内，均可以清楚地观察到存在于晶体内部的籽晶。而且籽晶一般不在晶体的中心，而是靠近晶体的一个晶面。从衍射斑点的形貌像中可以观察到籽晶面的衍衬像比较明显，存在的缺陷较多，表明晶体在生长过程中籽晶首先沿晶体的底平面生长，生长的速度较快。

晶体的籽晶周围存在大量向四周呈放射状的暗色线状衍衬像，这些线状条纹为晶体中的位错衍射形成的形貌像。这些位错几乎都起源于籽晶的表面，终止于晶体的表面，位错线平直。位错起源于籽晶，表明在籽晶表面存在着较多的缺陷。为了调节和消除由于籽晶表面存在的缺陷在生长晶体中产生的应力，形成了大量的位错。样品中存在的位错线比较平直，表明合成金刚石在生长过程中温度和压力比较稳定，生长速度较均匀。在一些衍射斑点的放大像中也可以观察到存在于晶体内部的位错线，这些位错也起源于同一位错源，呈直线状向周围生长，位错源存在于晶体内部，是在晶体的生长过程中形成的。晶体中缺陷的形成，可能是由于晶体生长过程中生长条件发生了改变或在生长过程中有杂质的掺入而引起的[1]。

在A组合成金刚石的同步辐射衍射斑点的形貌像中除可和以观察到线缺陷

外，还可以观察到面状的衍衬像到一些体缺陷。

B组和C组的合成金刚石均为无色，在这两组合成金刚石中存在较多的生长带，晶体的边棱处也可以观察到由于应力作用而引起的片状衍衬像。D组合成金刚石为褐色的大颗粒金刚石，衍射斑点的放大像根据形貌像的观察和缺陷空间方向的计算，可以得出生长带的方向与位错线的方向相互垂直，说明位错线的方向平行于晶体的生长方向。

根据以上的分析可以得出，A～D四组不同生长条件下合成的金刚石样品不仅颜色、晶形不同，晶体的内部缺陷类型和分布特征也有比较明显的差异。组样品中的晶体缺陷以位错为主，并且位错起源于籽晶表面，位错线比较平直，也可见少量起源于晶体内部的位错线局部存在层错，个别晶体中出现有孪晶界和生长带，部分晶体近晶面处存在应力作用区。B组和C组样品中存在的主要缺陷为生长带。D组样品中存在生长带和位错束[1]。通过对不同条件合成的金刚石晶体的同步辐射形貌像中的衍射斑点进行放大观察，发现同种生长条件合成的金刚石晶体缺陷特征具有相似性，不同条件下合成的金刚石的内部缺陷不同，其衍衬像所反映的息也各不相同。

2.3同步辐射形貌研究结论

位错主要起源于籽晶表面，因此，籽晶表面存在的缺陷是合成金刚石晶体内形成位错的主要原因。通过减少籽晶表面的缺陷，能够有效地降低合成金刚石晶体中位错的密度。生长带的形成主要是由于生长条件的波动引起，通过提高晶体生长过程中生长条件的稳定性，可以减少生长带的形成，提高合成金刚石晶体的完整性[2]。

3晶体缺陷的同步辐射X射线衍射形貌像浅析

对金刚石晶体缺陷的形貌进行直接观察的技术主要有光学显微镜、阴极发光形貌术、x射线衍射形貌术和高分辨透射电镜。其中光学显微镜下虽然无需对金刚石样品进行加工但仅能对晶体的宏观缺陷进行观察；阴极发光形貌术能提供金刚石生长历史及生长环境信息，为金刚石中杂质成份的不均一性解释提供重要的理论依据，但测试前要对样品进行定向切磨成片；透射电镜观察缺陷其分辨率虽然比x射线形貌术高得多，但由于样品的厚度极小，我们只能观察到近于二维分布的晶体缺陷，并且将金刚石制成供电镜观察的薄膜也是十分困难的工作，而