含硼金刚石单晶制备的研究进展

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硼掺杂对金刚石薄膜的表面形貌、质量影响的研究

硼掺杂对金刚石薄膜的表面形貌、质量影响的研究
◇ 高教论述◇
科技 圈向导
21 年第2 期 02 6
硼掺杂对金刚石薄膜的表面形貌 、 质量影响的研究
( 林工商学院 吉 石 晓 林 吉林 长 春 106 3 0 2)
【 要 】 用微波等 离子体化 学气相淀积 法在硅基 片上合成硼掺杂金 刚石薄膜。B0 从 10p m到 50pm 的不同浓度对场发射性能 摘 利 2, 00p 00p 影响 的研 究。 通过扫描 电镜和拉 曼光谱表征 了薄膜的表 面形貌和质量 。 通过 S M 显示随着 BO 浓度 的增加 , E 纳米金 刚石颗粒的表面形貌从表 面覆 盖纳米颗粒的方面微 晶到菜花形。 明少量 的硼有利 于提 高金 刚石膜的质量 , 说 随着硼浓度进一步升高 , 由于硼掺入 引起 的晶格畸 变而导致
品质 下 降 。
【 关键词 】 V C D金 刚石; 杂 硼掺
O引 言 . 在过去 的 2 0年里 . C 对 VD金刚石膜 的合成进行 了大量 的表征 和 应用 的研究 作 为场发射 材料在其他半 导体材 料选择中 . 具有独特理 化性 质化 学气相沉积法得到金刚石薄膜呈现出史无 前例的优 势 。 微 晶金 刚石 薄膜的场电子发射已经被广泛的研 究 . 并且 已经提 出各种模 型来解 释电子发射 机制[ 1 5 许多研究者已经获得相关了工艺参数 . - 6 金 刚石 质量 和后续处 理在 C VD薄膜 F E参数上的影响 为提高 F E性 E E 能的尝试 中发现 . 表面/ 在 主体 的条件下 . 在金刚石晶格 中杂质 的原 位 掺 杂中 . 硼和氮是首选的
参数 数据
一 一 一
( ) 0 p m a 1 0 p 0 () 0 p m b 2 0p 0 () 0 0 p c 5 0 pm

含硼金刚石结构及其研究共20页

含硼金刚石结构及其研究共20页
含硼金刚石结构及其研究
1、 舟 遥 遥 以 轻飏, 风飘飘 而吹衣 。 2、 秋 菊 有 佳 色,裛 露掇其 英。 3、 日 月 掷 人 去,有 志不获 骋。 4、 未 言 心 相 醉,不 再接杯 酒。 5、 黄 发 垂 髫 ,并怡 然自乐 。

26、要使整个人生都过得舒适、愉快,这是不可能的,因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭

27、只有把抱怨环境的心情,化为上进的力量,才是成功的保证。——罗曼·罗兰

28、知之者不如好之者,好之者不如乐之者。——孔子

29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇

30、意志是一个强壮的盲人,倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢!

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以新型硼源制备硼掺杂金刚石膜的性能研究

以新型硼源制备硼掺杂金刚石膜的性能研究
DoI码 1 0 . 1 3 3 9 4 / . c n k i . j g s z z . 2 0 1 7 . 1 . 0 0 0 2
Pr o pe r t i e s o f b o r o n d o p e d d i a mo nd f i l ms pr e p a r e d b y ne w t y p e o f b o r o n s o u rce
Ku nmi ng 6 5 0 09 3,Chi n a)
r 2 . Na t i o n a l L o c a l J o i n t L a b o r a t o r y o f E n g i n e e r i n gቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Ap p l i c a t i o n o f Mi c r o wa v e E n e r g y a n d
Eq u i pme n t Te c h n o l o g y,K u n mi n g 6 5 0 0 9 3, Ch i n a )
f 3 . Mo E Ke y L a b o r a t o r y o f Un c o n v e n t i o n a l Me t a l l u r gy ,Ku n mi n g 6 5 0 0 9 3 ,C h i n a )
r 1 . S t a t e I n t e r n a t i o n a l J o i n t Re s e a r c h C e n t e r o f Ad v a n c e d T e c h n o l o g y f o r S u p e r h a r d Ma t e r i a l s ,
以新 型 硼 源 制 备 硼 掺 杂 金 刚石 膜 的 性 能 研 究

含硼金刚石结构及应用研究..

含硼金刚石结构及应用研究..

含硼金刚石结构及其应用研究金刚石主要分为两种:一种是天然金刚石,另一种是人造金刚石。

由于天然金刚石产量稀少,不能满足工业需求,因此世界各国都很重视发展并广泛使用.人造金刚石合成的含硼金刚石聚晶具有超导特性,这进一步引起了人们对含硼金刚石的广泛关注。

但天然的含硼金刚石仅占天然金刚石总量的1~2%12”,远远不能满足工业需求。

因此,如何用人工方法合成出高质量的含硼金刚石成为生产者和使用者追逐的目标。

(一)含硼金刚石的性能一般来说,含硼金刚石与普通金刚石相比,具有抗氧化性强、耐热性好、化学惰性好、抗压性能佳和半导体性能优异等特点。

尤其是含硼金刚石的电学性能极佳,具有禁带宽、载流子迁移率高、介电常数低、导热性能好的特点,特别适合制造高性能的电力电子器件,可以在更高温度和恶劣环境下正常工作,是一种有发展前途的高温、大功率半导体材料。

含硼金刚石晶体中的硼含量一般很低,但对改善和提高金刚石晶体性能的影响是显著的。

研究结果表明,硼元素对金刚石的影响主要在以下几个方面:①颜色在显微镜下观察,金刚石由于硼含量浓度的不同,分别呈无色、蓝色或黑色。

蓝色金刚石晶体在电子工业中用作半导体材料,其它颜色晶体常用作磨料与工具材料。

②耐热性含硼金刚石的表面起始氧化温度比普通金刚石的高150℃~250℃。

其原因是因为硼原子与金刚石表面上的碳原子成键时形成硼碳结构,没有多余价电子与外来缺电子原子如氧原子发生反应,金刚石处于稳定状态,晶体的耐热性提高。

但晶体内硼原子含量的变化,会使表面起始氧化温度有所不同。

③冲击韧性冲击韧性是检测金刚石质量水平的重要手段之一。

黑色含硼金刚石具有良好的冲击韧性,车刀在载荷断续切削共晶硅铝合金、粉末钛合金、玻璃钢等材料时很少崩刃。

④耐磨性含硼金刚石晶体的耐磨性和研磨能力好,特别适用于研磨硬而韧的材料,可用作耐磨涂层、磨料、钻头、切削刀具等。

⑤化学惰性用黑金刚石聚晶做成的车刀,可以切削高硬度的淬山东火钢材。

硼对人造金刚石表面结构及性能的影响

硼对人造金刚石表面结构及性能的影响

硼对人造金刚石表面结构及性能的影响徐 岩,周金海,荣春玲,李亚选(郑州华晶金刚石股份有限公司,河南 郑州 450000)摘 要:硼对金刚石晶体性能有明显影响。

文章结合以往的文献资料,重点介绍了硼对金刚石表面结构及性能的影响,希望为相关人员提供一定的借鉴。

关键词:硼;人造金刚石;表面结构;性能;影响中图分类号:O649 文献标志码:A 文章编号:1672-3872(2019)16-0241-01——————————————作者简介: 徐岩(1988—),男,河南郑州人,工程师,研究方向:人造金刚石。

1 含硼金刚石的合成方法现在,多数含硼金刚石单晶都是在具有超高温高压的铰链六侧超压缩机上使用掺杂硼的石墨或掺杂硼的催化剂合成的。

在这中间,硼掺杂催化剂的制备方法:粉末冶金法和触媒片渗硼法。

详细的实验操作方法:在碳源方面,以片状的含硼镍锰合金为触媒、含硼石墨为主,经轴向交替分层为叶蜡石后在高压容器中合成。

一些学者使用碳化硼(b4c)作为碳源,以合成腔合成的ni70mn25co5和fe55ni2lco 合金作为催化剂,就会得到含硼量大于1wt%的高含硼黑色金刚石。

由于被b 和c 分隔的碳原子数量很少,因此金刚石的生长速度缓慢,并且金刚石中铁磁杂质含量极低。

使用含硼T641的石墨做为渗硼剂,原料则使用不含硼的含氮人造金刚石,在超高压高温条件下通过将ni70mn25co5硼的石墨夹层复合阳离子为碳源,高温高压合成含硼金刚石的工艺方法。

CICS 的阶数越低,所合成的金刚石含硼量越高,其抗氧化温度和导电性也会有显著的提升。

2 实验过程实验过程期间,操作人员需要将合成好的金刚石,按照技术规范与操作原理要求,进行提纯、筛分、分选以及称重等工作。

与此同时,需要利用相关设备及时测量出金刚石的实际抗压强度以及氧化温度等参数数据。

一般来说,在金刚石抗压强度测量设备的选择方面,最好选用JDY-1型单颗粒抗压强度测定仪。

另外,在金刚石氧化温度的测量方面,最好选用LCP-1型差热膨胀仪设备。

含硼金刚石单晶制备的研究进展

含硼金刚石单晶制备的研究进展

含硼金刚石单晶制备的研究进展李和胜;刘宪刚;李木森;周贵德【期刊名称】《材料科学与工程学报》【年(卷),期】2006(024)006【摘要】向人造金刚石中掺杂硼元素可以使金刚石获得比普通金刚石更为优异的物理和机械性能,同时还可以使金刚石具有半导体特性.国内外在含硼金刚石薄膜领域的研究较为深入,相对而言,在含硼金刚石单晶方面的研究较少,尤其是关于制备方法的研究.摸索总结出一种工艺简单、成本低廉、产品质量稳定的含硼金刚石制备方法对于丰富人造金刚石的品种,提高其品质,拓展其应用乃至从总体上提升我国人造金刚石行业的技术水平都有十分重要的意义.本文主要总结了目前国内外生产含硼金刚石单晶的七种方法,分析了他们各自的优缺点,同时简要介绍了作者所在课题组在含硼金刚石制备方法的研究方面所作的一些工作.本文指出了含硼金刚石单晶制备工艺进一步研究的方向和重点,同时对含硼金刚石单晶的应用前景作了展望.【总页数】4页(P944-947)【作者】李和胜;刘宪刚;李木森;周贵德【作者单位】山东大学材料科学与工程学院,山东,济南,250061;山东省超硬材料工程技术研究中心,山东,邹城,273500;山东大学材料科学与工程学院,山东,济南,250061;山东省超硬材料工程技术研究中心,山东,邹城,273500;山东大学材料科学与工程学院,山东,济南,250061;山东省超硬材料工程技术研究中心,山东,邹城,273500;山东省超硬材料工程技术研究中心,山东,邹城,273500【正文语种】中文【中图分类】TQ164.8【相关文献】1.微波法制备单晶金刚石的研究进展 [J], 黄平;汪建华;刘繁;翁俊;王小安2.高温高压合成含硼金刚石单晶制备工艺初探 [J], 李洪岩;李木森;宫建红;郑克芳3.CVD法制备单晶金刚石的现状及研究进展 [J], 潘红星;范波;闫建明;徐帅4.CVD法制备高质量金刚石单晶研究进展 [J], 刘晓晨;郭辉;安晓明;李义锋;姜龙5.大尺寸单晶金刚石制备的研究进展 [J], 张召;卢文壮;左敦稳因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

采用六方氮化硼合成Ⅱb型金刚石单晶的试验研究

采用六方氮化硼合成Ⅱb型金刚石单晶的试验研究

第!"卷第#期超硬材料工程$%&’!"())*年"月+,-./01/2314./516.7857../57819:;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;’())*采用六方氮化硼合成<=型金刚石单晶的试验研究>李和胜!?(?李木森!?(@!’山东大学材料科学与工程学院?山东济南(A ))*!B (’山东省超硬材料工程技术研究中心?山东邹城(C D A ))E摘要F 在铁基触媒原材料中添加不同含量的六方氮化硼?采用粉末冶金方法制备片状触媒?在六面顶压机上进行金刚石合成试验G 通过对比主要的合成参数发现?掺杂适量的六方氮化硼能够提高触媒的电阻?虽然对金刚石的成核有一定的抑制作用?但是有利于降低合成功率?同时有利于金刚石的粒度增粗G 对合成出的金刚石的性能检测发现?适量的六方氮化硼掺杂有利于净化金刚石晶体?减少杂质与包裹体的数量?有利于降低磁化率?提高晶体的静压强度和冲击韧性G关键词F <=型金刚石B 合成B 六方氮化硼B 铁基触媒B 高温高压B 试验中图分类号F 4H !*#文献标识码F 1文章编号F !*C D I!#D D @())*E )#I)))!I)*J K L M N O P Q N P K R S Q T U T P V <W K N X S M T Y Z O P M Q T P V [S \]N Q K Y [^T K R R S _Y R S M ]Y [P T K ]T M S W O ]O P650‘a b c ‘d :!?(?6539a b ‘d!?(@!’e f g h h i h jkl m n o p l i q e f p n r f n l r st r u p r n n o p r u ?e g l r s h r uv r p w n o q p m x ?y p r l r ?(A ))*!?z g p r l B (’e g l r s h r ut r u p r n n o p r u{n q n l o f gz n r m o n j h o e |}n o g l o skl m n o p l i q ?~h |f g n r u ?(C D A ))?z g p r lE !W Q K ]Y \KF 4c ‘b "d #c ‘b $%$d :&$’(%d &‘)*‘+$(‘d #$b ,’++$‘&%9#’#,9=$,c $d :‘*+‘b b ’**’+’#9b -$#c $+%d a =’b ‘&,’#’&"b #(’&‘="*%-&‘+(‘#’&&9+:"?$d -c $,c #c ‘c ‘)’c ‘&+’&d $#+$&‘=%+%d @c a .7E $b &%*‘&-$#c &$//‘+‘d #*+%*%+#$%d ’.",%(*’+$d :#c ‘(’$d b "d #c ‘b $%$d :*’+’(‘#‘+b ?$#,’d=‘/%9d &#c ’##c ‘+‘b $b #’d ,‘%/,’#’&"b #$d ,+‘’b ‘b &9‘#%&%*$d :%/c a .7’d &#c $b -$&&+‘b #+’$d #c ‘&$’(%d &d 9,&‘’#$%d ?-c $&‘$#-$&&=‘9b ‘/9&/%++‘&9,$d :#c ‘b "d #c ‘b $%$d :*%-‘+’d &,%’+b ‘d $d :#c ‘&$’(%d &:+’$db $%‘’4c ‘*+%*‘+#$‘b %/&$’(%d &’+‘#‘b #‘&’4c ‘+‘b 9&#b $d &$,’#‘#c ’#&%*$d :c a .7$d ,’#’&"b #-$#c *+%*‘+09’d #$#",’d *9+$/"#c ‘&$’(%d &,+"b #’&="+‘&9,$d :#c ‘’(%9d #%/$(*9+$#"’d &$d ,&9b $%d b ’5#$b c ‘&*/9&#%&‘*+‘b b #c ‘(’:d ‘#$%’#$%d +’#‘’d &$(*+%1‘#c ‘b #’#$,,%(*+‘b b $1‘b #+‘d :#c ’d &$(*’,##%9:c d ‘b b ’2S N ^O ]M Q F <=#"*‘&$’(%d &B b "d #c ‘b $%$d :B c ‘)’c ‘&+’&d $#+$&‘=%+%d @c .7E B $+%d a =’b ‘&,’#’&"b #B040-B‘)*‘+$(‘d #!>收稿日期F ())*I)A I()作者简介F 李和胜@!3"!IE ?男?博士研究生?主要从事金刚石单晶的高温高压合成及含硼金刚石半导体性能检测的研究G 通讯作者F 李木森?教授?博士生导师?主要从事超硬材料相关领域的研究G基金项目F 国家自然科学基金@编号F A )D C ()D A 和A )D C !)#"E 和教育部博士点专项科研基金@编号F ())()#(()D A B ())#)#(()()E资助G!前言人造金刚石自诞生起经历了五十余年的蓬勃发展"技术日新月异"新产品层出不穷#$%&’(但是"大量科研与生产的实践表明"目前许多人造金刚石的某些机械)物理和化学性能*如耐热性)抗氧化性与化学惰性等+尚不够理想(同时"大部分人造金刚石仍是电的绝缘体"因而其在电子)电化学等领域的应用受到了限制(因此"设法改善和提高金刚石晶体的品质"研制和开发具有特殊性能的金刚石"不断拓展其在国民经济各领域的应用"日益成为行业内研究的重点(研究证明"含有硼元素的,-型金刚石"具有半导体特性"甚至可以作为超导体#.%/’(而且,-型金刚石的耐热性)耐磨性)抗冲击韧性均不同程度地优于普通金刚石#0%1’(因此"研究,-型金刚石的合成与应用对丰富人造金刚石种类和拓展其应用领域都具有重要意义(目前"人工合成,-型金刚石的方法主要有2采用含硼触媒或碳源高温高压合成单晶#3%$4’5高压下对普通金刚石单晶渗硼#$&’5采用离子注入法向金刚石单晶中注入硼元素#$.’5采用晶种法通过控制温度梯度生长含硼单晶以及通过678法生长含硼金刚石薄膜等#$9%$/’(就合成,-型金刚石单晶的方法而言"采用含硼触媒或碳源的研究主要针对镍基触媒"同时一般采用固体渗硼的方法获得含硼触媒"这对触媒的催化特性有一定的破坏作用5高压下渗硼"离子注入以及晶种法等方法对金刚石的生长条件要求较为苛刻"生产成本较高"难以大规模工业化推广应用(山东省超硬材料工程技术研究中心一直致力于粉末冶金铁基触媒的开发与产业化(在取得一定成效的基础上"向铁基触媒中掺杂含硼化合物制成含硼铁基触媒"在高温高压下合成,-型金刚石单晶(采用粉末冶金方法生产含硼触媒可以精确控制硼含量"有利于在金刚石中形成合理的硼元素分布5采用铁基触媒合成,-型金刚石具有原材料成本低廉)方法简单等优点"具有极高工业化推广应用价值(本文主要针对合成效果较好的六氮化硼进行不同含量的对比试验研究($实验内容和方法向铁基触媒原材料中添加不同含量的六方氮化硼*掺杂量分别为:)4:和&:+"采用粉末冶金方法制成规格为;49<<=!>9<<的片状触媒(采用片状迭加方式组装合成压块"在国产?@8A1!!型六面顶压机上合成金刚石(合成采用提前升温"二次升压"非恒功率加热工艺#$0’(从三种合成压块中分别选取十块样品"采用自己总结的针对粉末冶金铁基触媒的金刚石提纯工艺对金刚石进行提纯(比较不同的掺杂量对金刚石合成参数的影响(通过检测金刚石的单次产量)粒度分布)晶体形态)表面形貌)静压强度)磁化率以及冲击韧性等参数进行对比性分析(4实验结果的分析与讨论为了简化实验结果的分析与讨论过程"将采用六方氮化硼掺杂量分别为:)4:和&:的触媒合成出的金刚石分别标记为B号),号和C号金刚石(4>$不同的六方氮化硼含量对合成工艺参数的影响在利用三种触媒进行金刚石合成的过程中"为了摸索最佳的工艺参数"进行了大量的试验(在试验中采用的主要合成工艺参数不尽相同"表$所示的为合成选取出的不同合成压块时的主要工艺参数(表$掺杂量不同的触媒在合成金刚石时采用的主要工艺参数D E-F G$@E H I J K G L M N IF I O P L E F Q E J E<G K G J R E S I Q K G S T M P F GR U N K M G R P V P N O S P E<I N S T P K MK M G L E K E F U R K R I W S P W W G J G N K S I R GB号,号C号送温压力X$*@Y E+0.090/暂停压力X4*@Y E+1/1/1/合成压力X&*@Y E+3.>93939>/暂停时间Z$*R+$4$!$!合成压块的电阻*=$![0\+$!04/$!149$$$0/合成功率X*]+0$!/0!4./3&!从表$可以看出"随着六方氮化硼掺杂量的增加"合成压块的电阻增大"合成中采用的送温压力和合成压力也在逐渐增大(显示六氮化硼的掺杂对金刚石的形核有一定的抑制作用"并且这种作用随着掺杂量的增加"也愈加明显(因此"在合成过程中"随着六氮化硼掺杂量的增加"相应的送温压力和合成压4力也必须相应增加!由于合成压块的电阻随着掺杂量的增加而逐渐变大"施加相同电流时的发热量增加"因此"合成功率随着掺杂量的增加而逐渐减小!分析认为"向金属触媒添加一定的含硼化合物会对触媒的催化特性产生一定的不良影响"具体原因有待进一步分析和研究!#$#三种金刚石的单次产量使用%&’#(分析天平对提纯出的金刚石进行称重"结果见表#!表#三种金刚石的产量%)*+,#-./01234/5/637.,,84509/604):/50金刚石种类总产量;<=平均单次产量;23= >号#?$?@(A B#$##C AD号#’$B C??B B$@C E#F号#A$A#C G B A$A B?(从表#可以看出"随着六方氮化硼掺杂量的增加"金刚石的单次产量相应减少!从不同掺杂量对合成工艺参数的影响可以看出"六方氮化硼的掺入对金刚石的形核有一定的抑制作用"使得金刚石成核的温度和压力上升"对金刚石的产量产生一定的影响H同时"由于触媒的电阻值随着掺入量的增加而加大"导致在施加相同电流的前提下"合成压块的发热量增加"合成腔体的温度偏高"虽然为了控制这种趋势而缩短了暂停时间"但是过高的温度和较小的温度梯度还是会对金刚石的生长产生不利影响"也会波及到金刚石的产量!#$’三种金刚石的粒度分布采用IJ K L B A A型振筛机和M#A A::标准筛"对提取出的三种金刚石进行了粒度分选!实验发现;图B="随着六方氮化硼掺杂量的增加"金刚石的粒度增粗"且分布开始分散!>号金刚石的粒度峰值为@A N G A"而D号和F号金刚石的粒度峰值前移"以?A N?@和?@N@A居多!合成过程中已经发现"随着六方氮化硼掺杂量的增加"合成压块的电阻增大"在施加相同电流的前提下"合成腔体的温度与压块的电阻成正比!即六方氮化棚的掺杂量增加会相应使合成腔体的温度升高"使得在生长过程中粒度较小的金刚石颗粒重新发生石墨化"成为粒度较粗的颗粒进一步生长的碳源"促使颗粒增粗!同时"因温度较高"获得进一步生长的颗粒目也相应增多"相互之间对碳源的争夺较为激烈"难以在进一步生长的过程中产生较大的粒径差别"促使金刚石的粒度分布分散化!这也是F号金刚石在?A N?@O?@N@A和@A N G A三个粒度上有近似分布的原因!图B三种金刚石的粒度分布P4<$B&.)4594Q,0493.4*134/5/637.,,84509/604):/50#$?三种金刚石的晶型分选采用R S T IIU U L C(型人造金刚石选型机"按照不同的粒度标记对三种金刚石进行了晶型分选"并对针对不同晶型采用%&’#(分析天平进行了称重;图#=!图#三种金刚石晶型分选结果P4<$#R.V93)+W)33,.59,W).)34/5/637.,,84509/604):/50由图#可以看出"随着六方氮化硼掺杂量的增加"金刚石的晶型逐渐变坏!>号金刚石F型料和X 型料的比重为E A$C@C Y"而F号金刚石F型料和X 型料的比重下降为@E$A#E Y!合成试验采用的六氮化硼是一种特制产品"可以在B B@A Z下实现硼原子与氮原子的有效分离!游’离态的硼原子和氮原子易于进入金刚石晶格!对金刚石的晶体形态产生不利影响!使金刚石的晶型变坏"这一结果也与文献#$%&$’(所记载的结果相一致")*+三种金刚石的晶体形貌分析三种金刚石在光学显微镜下的晶体形貌如图,所示"图,不同掺杂量的触媒合成出的金刚石单晶光学显微照片-./01234*,567389:;38<=>8=6386?=7=>-./01=@7?A>3B4:A C39;=B C8<D>79:>D B7?A>3E A CF37?7?A8979:D>7>=@C3@@A<A B7C=>A从图,可以看出!合成出的含硼金刚石单晶体颜色很深!呈暗黑色!明显异于普通金刚石的金黄色或黄绿色"虽然晶体保存有典型的六G八面体外形!但是表面结构非常复杂"其晶面不够光滑平整!表面有残缺凹坑!内部有少量的气泡"据文献#$’&)/(记载!这种晶体表面形貌的变化是由于硼元素作用的结果!这一结果也间接说明!采用掺杂六方氮化硼的粉末冶金铁基触媒!的确合成出了含有硼元素的H I型金刚石"从图,也可看出!随着六方氮化硼掺杂量的增加!金刚石的晶体形态逐渐变坏"由最初的结晶较好的六G八面体过渡到只有确定晶面!而没有规则外形的晶体"同时还可发现!随着六方氮化硼含量的增加!金刚石的颜色又有变黄的趋势"这一结果说明!随着六方氮化硼含量的增加!进入金刚石晶体的氮元素含量也在增加!形成一种硼元素与氮元素复合掺杂的效果"采用J39>?96A金刚石形貌检测系统!对三种金刚石的形貌参数进行了测量!以.+K+/粒度进行对比!具体结果见表,#)$("表,三种金刚石的形貌检测结果L9I:A,L A>7<A>M:7=@7?A;=<6?=:=4D=@7?<A A N3B C>=@C39;=B C性能指标O号H号P号圆度$*/,/)$*/)’Q$*/)Q R椭圆度$*$$.,$*$)R/$*$,’R 表面粗糙度.*,’+*/’+*)R 纯净度/*)/Q’/*,$R//*,/.Q透光性%$R+R/从表,可以看出!三种金刚石圆度与椭圆度的比值接近$的趋势以P号金刚石最差!说明随着六方氮化硼掺杂量的增加!金刚石的晶形逐渐变坏!与金刚石选型结果一致"金刚石的表面粗糙度也呈现一种与晶形相同的变化趋势"但是用于表征晶体内在质量的纯净度和透光性却随着触媒中六方氮化硼的增加而先变好后变坏"这一结果说明!少量的硼元素与氮元素的掺杂对于提高金刚石晶体的内在质量!减少杂质和包裹体的量有积极的作用!但是过量的掺杂!本身作为杂质元素存在的硼与氮同样会对金刚石晶体的质量起到破坏作用!即向触媒中掺杂六氮化硼应该有一个合理的范围".!"#三种金刚石的单颗粒静压强度检测结果按$%&’()*+,*)))-超硬磨料取样方法.的规定对金刚石进行取样/按照$%&’0)11"*,*)))-超硬磨料抗压强度测定方法.的规定/使用2345*型金刚石单晶静压强度测定仪/测定出三种金刚石的静压强度6表+78从表+可以看出/三种金刚石静压强度值随着触媒中六方氮化硼的增加同样出现了一种先提高后降低的变化趋势8表+三种金刚石的静压强度检测结果’9:;<+’<=>?<=@;>A B>C<=>9>D E E A F G?<==D H<=>?<I J>C A B>C?<<K D I L=A B L D9F A I L金刚石种类静压强度平均值6M7N号*O("O O**P号*O#"+(#0Q号*+*"O)0R金刚石中的杂质和包裹体在受压时容易发生应力集中/成为金刚石晶体破碎的裂纹源8一般内部较为纯净的金刚石晶体静压强度值较高8静压强度的检测结果正好与形貌分析所得的数据相吻合/显示少量的掺杂硼元素可以净化晶体/进而使静压强度提高/但是超出合理的范围/掺入的硼元素会起到相反的作用8!"0三种金刚石的磁化率测定结果使用$S S5%型金刚石磁化率分析仪对三种金刚石的磁化进行了测定6表O78表O三种金刚石的磁化率’9:;<O T9J I<>D U9>D A I?9><A B>C?<<K D I L=A B L D9F A I L 金刚石种类N号P号Q号磁化率数值6V*R,O W X7O!+"1O R!"(O O!")人造金刚石单晶的磁性主要来源于包裹在晶体中的触媒杂质6Y<Z M D Z TI等78金刚石在生长过程中由于生长速度过快/大量的熔融触媒便以较大尺寸被包裹在金刚石中/成为包裹体[!!\8从一定意义上说/金刚石晶体的磁化率测定可以间接地反映金刚石晶体中包裹体的数量/即人造金刚石晶体的内在质量8从表O的结果可以看出/金刚石的磁化率随着六氮化硼掺杂量的增加同样出现一种先变小后增大的过程/这一结果进一步验证了形貌分析的结果/同时还可以更好地解释静压强度的结果8!"1三种金刚石的冲击韧性检测结果采用S4S$5%型’’X热冲击韧性加热炉和S4S$5R+]型冲击韧性测定仪对三种金刚石在室温Z )R R^和**R R^三种不同温度下的冲击韧性进行了测定6表#78表#三种金刚石冲击韧性检测结果6_7’9:;<#’<=>?<=@;>A B>C<D F G9E>>A@J C I<==A B>C?<<K D I L=AB L D9FA I L6_7金刚石种类!O^**R R^偏差N号0)"1R*O+")01(*"*R#P号1+"*(1O O"R#1(+"O O RQ号1!"O#)O!"O(((#"(00金刚石的晶体质量即内在的杂质与包裹体的数量直接影响着金刚石的冲击韧性8由于杂质和包裹体具有与金刚石不同的热膨胀系数/在受热膨胀时使金刚石承受较大的张应力/致使金刚石强度下降/易于出现裂纹/甚至破碎[!(‘!+\8从表#可以看出/就冲击韧性的绝对值而言/出现的变化趋势与静压强度和磁化率的检测结果相同8即少量的硼元素掺杂可以提高金刚石的晶体质量/进而使得冲击韧性得以提高/但是过度的掺杂会降低金刚石的冲击韧性8目前/行业中一般采用常温冲击韧性6’X7与高温冲击韧性6’’X7的偏差来衡量金刚石的热稳定性[!O‘!0\8从表#可以看出/随着触媒中六方氮化硼的增加/金刚石的热稳定性逐渐降低8这一结果说明/过多的硼元素掺杂同样会破坏金刚石的热稳定性8(结论通过在粉末冶金铁基触媒中掺杂不同量的六方氮化硼进行金刚石合成试验/以及对合成出的金刚石的主要性能指标的检测/可以得出以下几点结论a 6*7六方氮化硼掺杂量的增加/会相应提高触媒的电阻/从而对金刚石的形核产生一定的抑制作用/使得送温与合成压力提高/但是较高的电阻有利于降低合成功率86!7随着六氮化硼掺杂量的增加/金刚石的平均单次产量降低b粒度增粗/同时分布开始分散b晶形逐渐变差/表面缺陷开始逐渐增多86(7随着六氮化硼掺杂量的增加/金刚石的内O在晶体质量!静压强度!磁化率以及冲击韧性均出现一种先变好后变差的变化趋势"说明适度的硼元素掺杂可以提高金刚石晶体的质量"进而使得金刚石的各项性能得到提高"但是过度的掺杂会起到相反的作用#参考文献$%&’()*)+,-./"0)1)0233"0)4)5678-92-.:)4);<-678=>7)) 42-?@2.<.A2@8-.%>’)B26,7<"&C D D"&E F$D&?D D)%G’王光祖)人造金刚石合成技术开拓创新的五十年%>’)金刚石与磨料磨具工程"G H H I"&G J F K$E L?E E)%L’王光祖"汪静"陶刚)不断发展的金刚石合成与应用技术%>’)超硬材料与宝石"G H H G"C J L K$&?I)%I’臧建兵"黄浩"赵玉成)含掺杂的金刚石%>’)金刚石与磨料磨具工程"G H H G J&K$&F?&M)%D’宫建红"李木森"许斌等)N O型金刚石单晶的制备和半导体特性研究进展%>’)功能材料"G H H L"L I J F K$F G G?F G D)%F’P)Q)P R A@8S"T)U)+2,<7"B)B)4<3V-A R"B)>)W,778">)U) 1X8@Y Z8-[5)4)56A Z X8S)5,Y<7\8-.,\6A S A6/A-.A2@8-.%>’) ]<66<7Z68-26,7<)G H H I J I K$D I G?D I D)%E’张健琼"贾晓鹏"马红安)掺硼金刚石的高温高压合成%>’)金刚石与磨料磨具工程"G H H D J&K$&D?&E)%M’宫建红"李木森"许斌)含硼触媒对合成的金刚石晶体结构和热稳定性的影响%>’)金刚石与磨料磨具工程"G H H D"&$&M?G&)%C’关长斌等)触媒合金渗硼对合成人造金刚石性能的影响%>’)无机材料学报"&C C I"C J&K$L C?I L)%&H’王松顺)含硼合金触媒对金刚石合成效果的影响%>’)磨料磨具通讯"&C C E J M K$&?D)%&&’王松顺)用含硼掺杂物石墨碳源合成金刚石的实验%>’)工业金刚石"G H H L J&K$G D?G M)%&G’关长斌"王艳辉"董占海"赵金波)渗硼石墨对人工合成金刚石性能的影响%>’)硅酸盐学报"&C C L J D K$&H?&I)%&L’王松顺"王民)高压下人造金刚石的渗硼实验研究%>’)磨料磨具通讯"G H H&J&H K$&?I)%&I’张清福"苟清泉"刘履华)天然金刚石形成透明硼皮金刚石的研究%>’)高压物理学报"&C M C J&K$&&?&E)%&D’^,)T)*3<Z R8S"^,)P)P S Z6<=<<S2<623)5/-6X<6A\5<@A\8-.,\687U A2@8-.P3<\678.<Z$P3<\678\X<@A\23 W X272\6<7A Z6A\Z8=_-.A S A.,23(2\<Z8=0A9X?1<@Y<726,7<?0A9X?*7<Z Z,7<5A-93<W7/Z623Z%>’):,Z Z A2->8,7-238=P3<\678\X<@A Z67/"G H H G"L M J F K$F G H?F G D)%&F’杨晓倩"胡晓君等)W T U金刚石薄膜的掺硼研究%>’)机械工程材料"G H H G"G F J&K$&F?&E)%&E’郝兆印"陈宇飞)非恒功率加热技术的研究%>’)高压物理学报"&C C L"E J L K$G L M?G I H)%&M’臧建兵"李爱武"王艳辉"黄浩)含硼金刚石的合成与性能%>’)金刚石与磨料磨具工程"G H H L J F K$&C?G&)%&C’关长斌"崔占全"杨雪梅)硼对人造金刚石表面结构及性能的影响%>’)人工晶体学报"G H H&"L H J D K$G&F?G&C)%G H’王松顺)含硼石墨碳源合成金刚石的效果%>’)磨料磨具通讯"G H H D J F K$I?F)%G&’向震泽等)金刚石形貌电脑检测系统的研究与应用%W’‘第四届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集"G H H L$G&E?G G&)%G G’亓增笃)金刚石的耐热性%>’)工业金刚石)G H H&J&K$&I?&D)%G L’臧建兵等)金刚石热稳定性的几个方面和影响因素的探讨%>’)金刚石与磨料磨具工程)&C C E"&H&J D K$D?E)%G I’罗中平)对目前人造金刚石提纯和分选技术的几点看法和建议%>’)超硬材料与工程"G H H&J I K$G D?G M)%G D’李享德等)人造金刚石热稳定性研究%>’)磨料磨具与磨削"&C C D"M E J L K$&?F)%G F’关长斌等)人造金刚石热稳定性的研究%>’)磨料磨具与磨削"&C C L"E F J I K$&C?G&)%G E’霍喜平"何远航等)人造金刚石的品质指标介绍与分析%>’)湖南冶金aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa"G H H G J&K$I L?I D)用纳米镍制作的电镀金刚石工具的加工及性能为了制造要求胎体材料具有高硬度和一定韧性的高质量电镀金刚石工具"现在已经研发出各种类型的胎体材料"包括BA!B A?4-!B A?W8和最新的B A?W8?4-电沉积物"尽管不是令人非常满意#本次研究首次提出"纳米镍电沉积物同传统的多晶或非晶材料相比"由于是纳米晶材料"其容积率高"在耐磨性方面有明显的改进#用5P4和b射线衍射对使用方形波阴极电流调节改进的;266Z型容器生产的新胎体材料的微观结构特征作了检测"同时也测定了其显微硬度#可使测试样品和金刚石工具两者都接受沉积产生的最佳脉冲电镀参数$脉冲启动时间为L@Z"脉冲断路时间为I D@Z"最大电流密度为&H H Q c.@d G#在L X之内可生产金刚石平均颗粒尺寸为G D H e@的新工具#结果表明"显微硬度约D C D4*2的电沉积胎体一般无肉眼可见的缺陷J即空洞K"具有体团状形貌"光滑表面"外观明亮"颗粒直径小J约D H-@K#石材加工试验表明"新的金刚石工具的平均使用寿命比通常使用的B A?W8沉积物的工具高&D)M f#而且"新的制造技术还有其他的优点"如生产周期较短J约是通常的一半K"化学试剂成本较低和较易控制的电镀槽#可以预测"纳米材料将成为电镀金刚石工具更好的胎体材料#^)U)]A"0)>A2-9"g)5)]A2-.g)()]A)报道#F。

超硬材料的制备及性能研究

超硬材料的制备及性能研究

超硬材料的制备及性能研究超硬材料是一类具有特殊化学成分和微观结构的新材料,因其硬度高、热稳定性好、耐磨损等特性,逐渐成为工业生产、科研实验等领域的重要材料之一。

本文将介绍超硬材料的制备及性能研究。

1、超硬材料的制备超硬材料主要由金刚石和硼化物两种成分组成,制备难度较大。

其中,金刚石是一种由碳原子构成的晶体,有非常强的硬度和抗压性能;硼化物则是由硼和其他金属元素组成的化合物,具有高硬度和良好的耐磨损性能。

超硬材料的制备主要有两种方法,一种是高温高压综合法,另一种是化学气相沉积法。

高温高压综合法是通过将金刚石或硼化物原料放入强大的高温高压设备中,在高温高压条件下进行反应,从而制备出超硬材料。

该方法制成的样品质量较高、稳定性较好,但设备成本较高、制备周期较长。

化学气相沉积法则是通过将金属元素与气体原料反应,从而形成超薄的化学物质沉积在基底上面制备出超硬材料。

该方法制备出来的样品质量相对较差、不稳定度较低,但制备周期较短、设备成本较低。

2、超硬材料性能研究超硬材料具有高硬度、高强度、高耐磨损等特殊性能,在实际应用中具有广泛的应用价值。

因此,针对超硬材料的性能研究尤为重要。

超硬材料的性能研究主要包括硬度测试、断裂韧性测试、耐磨损性能测试等方面。

硬度测试是指在指定的实验条件下,用硬度计或其他测试仪器测试样品硬度的一种方法。

对于超硬材料来说,其硬度值通常非常高,可以达到每平方毫米上的力量为5000牛顿以上。

硬度测试的主要目的是为了了解超硬材料的力学特性,从而更好地应用于制造领域。

断裂韧性测试则是对超硬材料的断裂韧性进行测试。

断裂韧性是指在样品断裂前,样品可以承受的最大应力量。

对于超硬材料来说,其断裂韧性非常低,因此需要对其进行特殊的测试和研究。

耐磨损性能测试是指通过摩擦、磨损、腐蚀等方式对超硬材料的耐磨损性能进行测试。

超硬材料具有很好的耐磨损性能,对于工业生产领域来说非常重要。

耐磨损性能测试的主要目的是为了了解超硬材料在实际生产环境中的应用性能。

CVD法制备单晶金刚石的现状及研究进展

CVD法制备单晶金刚石的现状及研究进展

第 48 卷 第 9 期2019 年 9 月Vol.48 No.9Sep.2019化工技术与开发Technology & Development of Chemical IndustryCVD 法制备单晶金刚石的现状及研究进展潘红星1,2,范 波1,2,闫建明1,2,徐 帅1,2(1.郑州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南 郑州 450001;2.超硬材料磨具国家重点实验室, 河南 郑州 450001)摘 要:单晶金刚石因其独特结构而具有优异的物理化学性能,在许多科学技术领域具有潜在的重要应用价值 ,被广泛应用于工业、科技、国防、医疗卫生等众多领域。

用化学气相沉积法实现高沉积速率、高质量、大面积的金刚石单晶的制备是目前研究的热点。

本文对化学气相沉积法制备单晶金刚石的机理进行了分析,对比了化学气相沉积法合成金刚石的几种主要方法,总结了其优缺点,在已有研究工作和生产经验的基础上提出了合理化的建议,为单晶金刚石的产业化提供有价值的参考。

关键词:单晶金刚石;化学气相沉积法;合理化;产业化中图分类号:TQ 164.8 文献标识码:A 文章编号:1671-9905(2019)09-0027-05作者简介:潘红星(1982-),男,河南濮阳人,硕士,工程师,主要从事生产质量管理,单晶、多晶金刚石材料制备及应用研发工作收稿日期:2019-06-10金刚石独特的结构,使其在力学、热学、光学、电学、声学、电化学等方面拥有着许多其他材料无可比拟的优异性能,是推进21世纪工业发展必不可少的材料之一[1],被广泛应用于钻石首饰、工业、科技、国防、医疗卫生等诸多领域。

金刚石是热导率高达22W·(cm·K)-1的间接带隙半导体材料,室温下的电子和空穴迁移率高达 4500cm 2·(V·s)-1和3800cm 2·(V·s)-1 [2],比第三代半导体材料GaN 和SiC 明显高得多。

采用不同含硼化合物合成Ⅱb型金刚石的试验研究

采用不同含硼化合物合成Ⅱb型金刚石的试验研究

( . colfMaei s c ne n n i ei S ad n n e i , ia , 5 0 1 hn ) 1 Sho o t a i c a dE gn r g, h n og U i rt Jn n 2 0 6 ,C i r lS e e n v sy a
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按照添加 等量硼元 素的原则 , 在粉末冶金铁基触媒 中加入不同的含硼化合物( 硼铁 、 碳化硼和六方 氮化硼) 在六 ,
面顶压机上进行金 刚石合成试验 。对合成 出的含硼金 刚石单 晶进行表 面形貌 、 磁化率 、 冲击 韧性 以及热重 等综合质量 对 比。结果表明 , 不同的硼源会相应影 响金 刚石 的生 长区间 , 并进而 直接影响金 刚石晶体 的质 量及其 主要性能 。以六方 氮
( 4 )a dhxgn rnn r e h—B ,acrigt arl o qia n brncnet h xe met eu sso e B n eaoa bo ii s( C lo td N) cod e f uv et o otn.T eepr n rsl hw d n o u e l o i l a t
文章 编号 :0 6—82 ( 07 0 00 O 10 5 X 20 )2— 0 9一 5
采用 不 同含硼 化 合 物 合 成 Ⅱb型 金 刚石 的试 验 研 究
李和胜 孟雪 , 李木森
(. 1 山东大学材料科 学与工程学 院 , 济南 ,50 1 206 ) (. 2 山东省超硬材料工程技 术研究 中心 , 邹城 , 30 ) 2 5 0 7

国内外第四代金刚石半导体材料发展现状 -回复

国内外第四代金刚石半导体材料发展现状 -回复

国内外第四代金刚石半导体材料发展现状-回复「国内外第四代金刚石半导体材料发展现状」引言:金刚石是全球范围内最硬的材料之一,具有出色的热导性能和高能隙等特点,被广泛应用于高温、高压、高速等极端环境下的电子器件。

近年来,随着电子科技的不断进步,人们对于能耗低、速度快、稳定性高的半导体材料的需求不断提高,逐渐向第四代金刚石半导体材料转型。

本文将深入探讨国内外第四代金刚石半导体材料的发展现状,并分析其应用前景。

一、第四代金刚石半导体材料的定义和特点第四代金刚石半导体材料是指在金刚石基底上,通过改变纯度和掺杂方式,实现半导体材料的高效能性能提升。

相比于传统的硅基材料,第四代金刚石半导体材料具有以下特点:1. 高热导性:金刚石是全球热导率最高的材料,其热导率约为1400-2200 W/m·K,能够有效提高材料散热能力,降低电子器件的温度,增加设备的可靠性和寿命。

2. 高电导性:金刚石具有较高的电导率,可在高频率下实现更低的能耗和更高的功率输出,广泛应用于高功率、高频率电子器件领域。

3. 高能隙:金刚石的能隙大约为5.5 eV,较硅材料的能隙(约为1.1 eV)大幅增加,使其能够在高压、高温和辐射等极端环境下保持电子器件的稳定性。

4. 低电子缺陷密度:金刚石的晶体结构稳定,具有较低的晶格缺陷密度,可以减小电子器件中的载流子散射和损耗,提高电子器件的工作效率和性能。

二、国内第四代金刚石半导体材料的研究进展国内学者在第四代金刚石半导体材料的研究上取得了一系列重要进展。

首先,研究人员改善了金刚石的纯度和生长技术,实现了大尺寸、高纯度金刚石基底的制备。

其次,通过金刚石的不同掺杂方式,如硼(N型)和氮(P 型)掺杂,实现了金刚石材料的电导性控制。

目前,国内研究者已经成功制备出一系列掺杂金刚石膜材料,并对其电子器件性能进行了研究和评估。

此外,国内研究机构还致力于改善金刚石半导体材料的表面品质和平坦度,以提高器件性能和可靠性。

h-BN掺杂对金刚石晶体结构的影响

h-BN掺杂对金刚石晶体结构的影响

h-BN掺杂对金刚石晶体结构的影响李沛航;崔梦男;万玉春【摘要】报道了在Fe70Ni30合金触媒和石墨系体中,掺杂六角立方氮化硼(h-BN)和硼(B)生长金刚石单晶的过程.研究发现,h-BN和B掺杂对于金刚石生长条件及形貌等具有较大的影响,其中h-BN掺杂生长金刚石的最低生长压力达到了6.2 GPa,同时晶体呈绿色条状.说明h-BN和B在金刚石晶体生长以及取代碳原子进入晶格时起到了不同的作用.通过X射线衍射及光电子能谱等表征手段,分析了硼氮对金刚石晶体结构的影响,以及硼氮在金刚石中的化学环境及成键方式.在此基础上阐述了硼氮掺杂的形成机制.%In this work, we report the growth process of single crystal diamond by doping boron (B) and hexagonal boron nitride (h-BN) in the system of Fe70Ni30 alloy catalyst and graphite. The doping of B and h-BN has signifi-cant effect on the growth condition and morphology of diamonds. The lowest growth pressure of h-BN doped diamond is 6.2Gpa and the crystals have a green strip morphology. This results indicates that B and h-BN have different effects on the diamond growth and have different ways to replace carbon atoms. We analyze the effect of doping B and N at-oms on the structure of diamond,and the chemical environment of B and N atoms in diamond by using X-ray diffrac-tion and photoelectron spectroscopy. The mechanism of B and N doped diamond is also demonstrated.【期刊名称】《长春理工大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2015(038)005【总页数】4页(P72-75)【关键词】h-BN;金刚石;成键方式;高温高压【作者】李沛航;崔梦男;万玉春【作者单位】长春理工大学材料科学与工程学院,长春 130022;长春理工大学材料科学与工程学院,长春 130022;长春理工大学材料科学与工程学院,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TP391.41自20世纪50年代人们利用静高温高压方法合成出金刚石和立方氮化硼以来,金刚石和立方氮化硼作为超硬材料已得到了深入的研究和广泛的应用。

掺硼大单晶金刚石制备及其刀具切削温度在线检测研究

掺硼大单晶金刚石制备及其刀具切削温度在线检测研究

掺硼大单晶金刚石制备及其刀具切削温度在线检测研究陈孝洲;邓福铭;刘士荃;刘子逸;邢晓天;邓雯丽;余浚哲
【期刊名称】《硬质合金》
【年(卷),期】2024(41)2
【摘要】为了实时测量单晶金刚石刀具加工区域的温度和实时监测金刚石刀具超精密加工工件表面的质量,利用掺硼金刚石的半导体性质,建立掺硼金刚石电阻与温度的对应关系,得出其测量灵敏度为6.2Ω/℃;利用所研制的掺硼单点金刚石刀具在金刚石车床上分别对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和碳纤维增强塑料(CFRP)试件进行了单点金刚石刀具(SPDT)的切削温度测量,实验验证了所研制的掺硼金刚石刀具切削温度测量系统能够灵敏地测量精密切削过程中的切削温度;金刚石刀具切削CFRP试件时,切削温度和加工表面形貌出现周期性的变化,这一发现对于指导单点金刚石刀具超精密表面加工状态的在线监测也很有价值。

【总页数】6页(P148-153)
【作者】陈孝洲;邓福铭;刘士荃;刘子逸;邢晓天;邓雯丽;余浚哲
【作者单位】中国矿业大学(北京)超硬刀具材料研究所;河南闪耀钻石有限公司;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室;清华大学摩擦学国家重点实验室北京10084
【正文语种】中文
【中图分类】TQ1
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5.单晶金刚石刀具切削有色金属磨损机理研究
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含硼金刚石单晶的微观结构与性能表征及其相关理论研究的开题报告

含硼金刚石单晶的微观结构与性能表征及其相关理论研究的开题报告

含硼金刚石单晶的微观结构与性能表征及其相关理论研究
的开题报告
一、研究背景及意义:
金刚石是一种重要的超硬材料,但其存在着劣化、磨损等问题,这种问题的解决就需要改善金刚石的结构和性能。

近年来,含硼金刚石单晶材料因其优异的力学性能和热稳定性而备受关注,其硬度甚至可以超过普通金刚石。

因此,深入了解含硼金刚石单晶的微观结构和性能表征,对于进一步提高其性能和开发应用具有重要的理论和实际意义。

二、研究内容与方法:
1.含硼金刚石单晶的制备方法及工艺,通过相关仪器进行表征;
2.使用XRD、TEM、SEM、Raman等材料表征手段,对含硼金刚石单晶的微观结构和组织特征进行分析和表征;
3.使用优化软件对含硼金刚石的力学性能进行模拟计算,并与标准金刚石的性能进行比较,以评估含硼金刚石的性能优劣;
4.进一步在理论上分析含硼金刚石单晶微观结构与性能之间的相互作用、规律、机制。

三、预期结果与成果:
1.成功制备含硼金刚石单晶材料,并对其进行表征和分析;
2.揭示含硼金刚石单晶微观结构与性能的内在联系和机制;
3.通过理论模拟,验证含硼金刚石单晶的性能优劣,并提出优化方案;
4.形成一定的理论发现和实践经验,可为含硼金刚石单晶的应用研究提供理论依据和技术支持。

掺硼金刚石膜研究进展及应用

掺硼金刚石膜研究进展及应用

和纯净的金刚石相同,只是硼原子以表面取代或内部
取代的形式取代部分碳原子。 掺硼金刚石原子模型
如图 1 所示。
未被掺杂时,金刚石晶体表面碳原子会有一个多
余的价电子,可能会与外来的缺电子成键,从而降低
金刚石的抗氧化性能。 当硼原子掺入后,形成硼碳共 价键,可以使金刚石具有更好的化学惰性,从而具有 更好的抗氧化性、耐腐蚀性等,如掺硼金刚石的抗氧
电阻率达到 1016 Ω·cm。 在金刚石中硼可以大幅提升金刚石的导电性,这是由于硼原子只能提供 3 个电子
和相邻的碳原子形成共价键,多余的一个碳原子的电子因无法配对从而形成空穴,这样就成为了 p 型半导体
结构。 而硼原子在金刚石中形成杂质能级,其与价带的距离远远小于金刚石的禁带宽度,因此杂质能级的空
0 引 言
金刚石作为典型的多功能材料,具有高硬度、高导热、高稳定性、耐腐蚀、良好的生物相容性等诸多优点。 纯净的金刚石并不导电,而掺硼金刚石( boron-doped diamond, BDD) 膜则随掺硼量的不同具有半导体甚至低 温超导体的特性。 掺硼金刚石膜在电化学领域也具有很大的优势,如具有宽的电势窗口、低的背景电流、高 的电化学稳定性等优点,被公认为是优秀的电化学电极材料。 然而目前掺硼金刚石在无毒害硼源掺杂、电荷 存储能力提升、生物活性单元固定等方面还存在一定问题,限制了其在超级电容器、生物传感器等领域的应 用。 目前大量研究工作集中在硼的掺杂方式、掺硼金刚石膜微观形貌控制、掺硼金刚石膜表面修饰等方面, 以优化掺硼金刚石膜的性能。 本文在介绍掺硼金刚石的结构、性能的基础上,总结了掺硼金刚石硼膜的制备 方法、膜微观形貌控制、膜表面修饰等研究进展,并分析了掺硼金刚石膜作为电极在消毒杀菌、废水处理、超 级电容器、生物传感器等领域的应用现状及前景。

用于合成含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂及其制备方法[

用于合成含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂及其制备方法[

专利名称:用于合成含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂及其制备方法
专利类型:发明专利
发明人:李木森,公志光,徐培良,尹龙卫,宫建红,邢子水,刘宪刚
申请号:CN200510042572.7
申请日:20050321
公开号:CN1692983A
公开日:
20051109
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明涉及一种用于合成高品质半导体含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂。

该催化剂包括铁、镍、石墨、锰、铜及高硼硼铁合金或碳化硼;该催化剂的制备方法是:将催化剂的各组分制成粉末,粒度为150~250目;按成分配比将粉料混合均匀;轧制成薄带;在烧结炉中进行低温烧结,再经过精轧、冲片、整形、清理,制成片状催化剂。

本发明的催化剂制备方法简单易行,成品率高,工艺成本低;合成的含硼金刚石单晶的晶型好、强度高、粒度大、呈黑色或蓝色,金刚石单晶电阻值为10000~10000000欧姆,具有负的电阻-温度系数,为P型半导体材料。

申请人:山东大学,山东超硬材料工程技术研究中心
地址:250061 山东省济南市经十路73号
国籍:CN
代理机构:济南圣达专利商标事务所
代理人:郑华清
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以新型硼源制备硼掺杂金刚石膜的性能研究

以新型硼源制备硼掺杂金刚石膜的性能研究

以新型硼源制备硼掺杂金刚石膜的性能研究王梁;江彩义;郭胜惠;高冀芸;胡途;杨黎;彭金辉;张利波【摘要】Diamond films with different boron concentrations are prepared by using microwave plasma chemical vapor deposition with ethanol-boron-oxide solution as boron source.SEM,XRD,Raman spectroscopy and electrochemical work station were used to observe and study the surface morphology,crystal structure and electro-chemical properties of the film.Results show that with the increase of boron concentration,crystalline size of diamond film first decreases and then increases,while the potential window decreases from 3.1 V to 2.6 V and the anodic current decreases from 0.022 7 mA · cm-2 to 0.011 9 mA · cm-2.But such increase has almost no influence on background current and electro-chemical reversibility.%采用微波等离子体化学气相沉积技术,以氧化硼-乙醇溶液作为硼源,制备不同掺硼浓度的金刚石膜.利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、电化学工作站等研究其表面形貌、晶体结构、薄膜质量和电化学性能.结果表明:随硼元素含量升高,金刚石膜的晶体颗粒尺寸先减小后增大,电势窗口由3.1V降至2.6 V,阳极电流密度由0.022 7 mA·cm-2降至0.011 9 mA· cm-2,但对背景电流及电化学可逆性几乎不影响.【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2017(037)001【总页数】6页(P7-12)【关键词】硼掺杂;金刚石膜;电化学性能【作者】王梁;江彩义;郭胜惠;高冀芸;胡途;杨黎;彭金辉;张利波【作者单位】超硬材料先进制备技术国际联合研究中心,昆明650093;非常规冶金教育部重点实验室,昆明650093;超硬材料先进制备技术国际联合研究中心,昆明650093;非常规冶金教育部重点实验室,昆明650093;超硬材料先进制备技术国际联合研究中心,昆明650093;微波能工程应用与装备技术国家地方联合工程实验室,昆明650093;非常规冶金教育部重点实验室,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;云南民族大学化学与环境学院,昆明650031;微波能工程应用与装备技术国家地方联合工程实验室,昆明650093;非常规冶金教育部重点实验室,昆明650093;超硬材料先进制备技术国际联合研究中心,昆明650093;微波能工程应用与装备技术国家地方联合工程实验室,昆明650093;非常规冶金教育部重点实验室,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;超硬材料先进制备技术国际联合研究中心,昆明650093;微波能工程应用与装备技术国家地方联合工程实验室,昆明650093;非常规冶金教育部重点实验室,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;超硬材料先进制备技术国际联合研究中心,昆明650093;微波能工程应用与装备技术国家地方联合工程实验室,昆明650093;非常规冶金教育部重点实验室,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TQ164硼掺杂金刚石膜以优异的性能[1-2]在半导体领域表现出极好的应用前景[3-5]。

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含硼金刚石单晶制备的研究进展1李和胜1,2, 李木森1,2,周贵德21山东大学材料科学与工程学院,济南,2500612山东超硬材料工程技术研究中心,邹城,273500摘要:本文主要总结了目前国内生产含硼金刚石单晶的六种方法,分析了他们各自的优缺点,指出了下一步含硼金刚石单晶制备工艺的研究方向和研究重点。

关键词:含硼金刚石;金刚石单晶;制备工艺1. 引言自从上世纪五十年代人类首次合成出金刚石以来,人造金刚石工业经历了五十年的蓬勃发展[1,2]。

人造金刚石一经产生就在机械、地质、石油、建材等领域得到了广泛的应用。

随着人造金刚石理论研究的深入,人造金刚石的应用领域不断扩大,品种越来越多,其性能也越来越优异[3,4]。

近来,掺杂金刚石所具有的半导体特性日益成为人造金刚石工业研究的热点[5~9]。

金刚石的禁带很宽,热导率极高,击穿电场强,很适于制造高温、高压、大功率和强辐射条件下工作的半导体材料与器件。

并且它从紫外到远红外很宽的波长范围内具有很高的光谱透射性能,是大功率红外激光器和探测器的理想材料。

同时它又具有抗酸、抗碱、抗各种腐蚀性介质侵蚀的性能,是优良的耐蚀材料。

它集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身,是目前最有发展前途的半导体材料之一,在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高新技术领域中可望有极佳的应用前景[5]。

在已知的半导体材料中,掺杂金刚石具有最高的硬度,热导率和传声速度,小的介电常数,高的介电强度,既是电的绝缘体,又是热的良导体。

同时,金刚石空穴迁移率很高,掺杂后即可成为优良的p型半导体或者n 型半导体(目前n 型金刚石半导体的低温低压合成工艺已经取得一定进展,但用来做半导体器件仍存在一些需研究解决的问题),并且,对可见光和红外辐射透明。

所有这一切使半导体金刚石成为目前最有发展前途的电子材料。

金刚石在晶体结构和能带结构上与常见半导体材料十分相似,但其原子半径和晶格常数较小,禁带宽度大,因此许多杂质原子在金刚石中溶解度很低,这给金刚石的掺杂带来很大困难。

由于硼原子半径较小,所以含硼金刚石半导体的研究取得了较大进展[6]。

如何采用较为低廉的原料以及较为简便的方法合成出优质的含硼金刚石,并进一步对其半导体特性进行1 本课题得到教育部博士点专项科研基金(编号:20020422035)和国家自然科学基金(编号:50372035和50371048)的资助。

- 1 -研究,争取早日应用便成了行业内专家学者关心和研究的重点问题。

目前,掺杂硼元素的半导体金刚石主要有单晶、聚晶以及金刚石薄膜,而实际在工业中被做成半导体元器件得到推广应用的只有金刚石薄膜。

金刚石单晶因为颗粒小,不宜加工所以半导体性能的开发受到限制,但是含硼金刚石在耐热性、耐磨性、化学惰性以及抗压强度等方面均不同程度的优于普通金刚石[10],所以含硼的金刚石单晶在矿山、机械等方面已经得到了广泛的应用,主要被用于制造钻头、圆锯片、刀具、磨具等,表现出比普通金刚石更为优越的机械以及加工性能[11]。

2. 研究综述目前,国内制备含硼金刚石的方法有很多,现将主要方法做一归纳,并针对其各自特点进行分析。

2.1 对传统的片状触媒进行固体渗硼,采用高温高压方法合成含硼金刚石燕山大学的关长斌等人对传统的镍锰钴合金触媒进行固体渗硼,配合T64P 石墨在六面顶压机上合成出含硼金刚石[12,13]。

实验发现,触媒在渗硼之后的晶粒尺寸与石墨的晶粒尺寸接近,有利于长成大颗粒的金刚石。

渗硼处理后,硼以原子或原子团的形态沉积在合金的表面或内吸附于表层的晶界处及合金里部,硼含量沿合金表面至中心递减。

合金断口表面至中心的组织无变化与无硼化物的生成,仍为面心立方结构,晶格常数也相同。

渗硼后基本成分未变,但由于触媒合金表面含有硼原子,所以使合金表面电阻增大,使其与碳源石墨的电阻接近,在合成中利于稳定合成工艺[14]。

同时,含硼触媒的电阻率增大,在高温高压合成时,发热量增加,温度增高,触媒很快熔化,有利于碳原子的运输,使碳在熔融合金中的过饱和度增加,对金刚石长大有利。

通过对合成出的金刚石检测得知,随着渗硼层厚度的增加,金刚石起始的氧化温度和剧烈氧化温度都得以提高,且比一般金刚石提高200℃。

同时,金刚石的抗压强度也在增加,与未渗硼相比提高30-60N[13]。

但是,随着触媒合金渗硼层厚度的增加,金刚石的单产有所下降,触媒合金存在渗硼层降低了合金的表面活性,使触媒作用变差,降低了金刚石的形核率。

同时触媒合金渗硼以后电阻率增加,合成温度提高,直接影响金刚石生长界面的状态及合成腔中的温度分布,虽然有利于金刚石的长大却不利于金刚石的形核,以上原因使金刚石的单产降低。

- 2 -2.2 对合成金刚石用石墨碳源进行硼掺杂,配合传统片状触媒高温高压合成含硼金刚石郑州磨料磨具磨削研究所的王松顺在采用硼掺杂石墨碳源高温高压合成含硼金刚石方面作了大量的工作。

采用的石墨碳源主要有:T641、T64P、T621、T610、T643等[10,15~17]。

掺杂物主要是:硼酸、硼粉、碳化硼(B4C)与六方氮化硼(hBN)[18]。

硼元素的掺杂方法主要是将含硼化合物与石墨机械混合或对石墨碳源进行固体渗硼[19,20]。

两种方法相比,对石墨碳源进行固体渗硼合成效果较好。

简单地将含硼化合物与石墨机械结合不易于控制合成金刚石中硼的掺杂量以及硼原子的存在状态。

石墨与触媒相比,结构较为疏松,渗B时,B原子较容易进入石墨中,因此石墨中B的含量高,所合成的金刚石中B含量也就高。

硼在石墨中部分的取代了石墨晶格中的碳原子,多数则处在石墨晶界中,提高了石墨的结晶程度,石墨晶粒更加完整,这可提高金刚石合成效果[21]。

同时,对石墨进行渗硼避免了对触媒渗硼有可能破坏触媒催化特性的缺点,有利于获得较为理想的合成效果。

在含硼石墨的基体中,有呈长条形的棒状物、硼酸、B4C、hBN及硼的氧化物存在[22]。

含硼石墨的灰份比普通石墨高,其灰份的主要成份是硼的氧化物。

灰分含量高,造成石墨的电阻较大,通电时发热量较大,金刚石在生长过程中容易造成石墨化。

同时氧元素的存在对石墨—金刚石相变有抑制作用,还会对合成金刚石晶体的完整性有破坏作用。

2.3 采用粉末压块高温高压合成含硼金刚石[23]这种方法是将鳞片状石墨(200目)触媒粉末和雾化Ni70Mn25Co5(200-320目)触媒粉末1:1(质量比)在加入一定量的无定形硼粉均匀混合后粉压成柱状,在组装成合成压块在高温高压下合成含硼金刚石。

合成试验获得了较为理想的合成效果,同时实验者发现随着硼含量的增加,金刚石的最低生长压力开始降低,在硼元素掺入量为一定值时达到最低。

这种方法实质与目前金刚石行业正在推广的粉末压块工艺一致,只是采用这种工艺时应特别注意原材料的纯度以及混料的均匀性,同时应适当考虑原材料的成本,以便于工业化推广应用。

- 3 -2.4 其他碳源配合传统片状触媒高温高压合成含硼金刚石这一类型的实验方法中最为典型的有两种,一是采用含硼的石墨层间化合物(Graphite Intercalation Compounds简称GICs)作为碳源,高温高压合成含硼金刚石;二是采用碳化硼(B4C)作为碳源高温高压合成含硼金刚石[19,24]。

石墨层间化合物(GICs)的制备主要有两种方法:电解氧化法和真空熔盐法。

但是两种方法的生产成本都比较高,不利于大规模的工业化推广应用。

采用B4C做碳源合成金刚石的过程中经历了B4C的高温分解,析出碳原子,再重新组合成金刚石,这是一系列的高压化学反应,有别于传统的以石墨为碳源合成金刚石的过程[25]。

采用这种方法合成出的金刚石硼含量较高(>1wt%),实验重复性很好,金刚石晶形较完整,具有其它合成方法中所少见的条形金刚石。

同时,由于B4C中分解出的碳量相对于石墨少得多,金刚石晶体生长较慢,金属触媒能充分脱离金刚石晶体,形成的金刚石中金属包裹体少,铁磁性杂质较少[26]。

俄罗斯科学院高压物理研究所的Ekimov E A 等,以B4C 和石墨C为原料,采用高温(2500—2800K) - 高压(105 大气压) 技术合成了硼掺杂的金刚石,进而发现了其中的超导电性,T c~2.3K。

经高温- 高压处理后,产物中出现了多晶金刚石的聚集体。

具有金属光泽的聚集体尺寸约1—2mm ,它们散落在B4C 和石墨的界面。

仪器分析表明,掺杂金刚石颗粒中的载流子浓度n ≥2×1021cm-3[8]。

采用B4C做碳源合成金刚石具有一定的优势,但是原材料成本仍然偏高,同时工艺还不成熟和稳定,具有进一步研发的潜力。

2.5 对采用常规方法合成出的金刚石进行高温高压渗硼处理,获得含硼金刚石王松顺对采用传统工艺合成处的金刚石颗粒进行了高温高压渗硼试验。

渗硼剂采用的是硼粉和含硼化物。

石墨粉采用的是碳化硅(SiC)热解石墨或含硼石墨。

将硼粉、hBN、B4C和金刚石分别加入石墨粉中,进行均匀混合配成渗硼料。

然后将渗硼料压制成型,装入含硼石墨料管中,在装入叶蜡石传压介质中组成压块,在六面顶压机中对金刚石颗粒进行渗硼[27]。

实验的结果表明,原料中的硼,在加热的高压高温的条件下,是可以沿晶体表面逐渐渗透扩散进入金刚石的空位和激隙中的,取代表面的碳原于进入晶格。

- 4 -由于硼进入金刚石晶体的途径是从晶面开始的,所以硼大多富集在晶体表面上,晶体内部硼较少,形成的硼原子层覆盖着整个晶体。

表面硼皮的形成使人造金刚石获得了特殊的表面导电性能和优异的耐热性、抗氧化性、化学惰性和力学性能。

乌克兰超硬材料研究所已研制了具半导体特性的7mm表面硼化金刚石[28]。

2.6 采用离子注入法获得含硼金刚石理论分析认为金刚石(111)面上B原子可与内层三个C原子结合形成三个共价键,结合很强且没有悬挂键,因而抗氧性能最强。

基于这一理论,八面体金刚石一旦在表面形成硼皮应具有较高的抗氧化性。

张清福等人采用低能离子注入的方法,将硼离子注入到天然八面体金刚石的表面,从而获得了硼皮金刚石[29]。

采用热失重分析对获得的硼皮金刚石进行了抗氧化性测量。

结果表明,八面体硼皮金刚石的抗氧化性比一般的硼皮金刚石以及天然金刚石都要高,比低能离子注入之前也有大幅度提高。

而且,在低能离子注入的条件下硼皮的形成和金刚石的抗氧化性与硼元素的注入深度没有关系[30]。

虽然低能离子注入法在合成含硼金刚石方面取得了较为理想的效果,但是,采用天然金刚石作原料和特殊的合成工艺使得这种方法的生产成本偏高,难以在短时间内大规模推广应用。

基于上述的理论基础,曹国英、陈叔鑫等人开展了硼皮八面体金刚石的高温高压合成研究,并取得了较为理想的合成效果[31]。

但是就高温高压合成金刚石的工艺而言,严格地控制金刚石在八面体区生长具有较大的难度,推广应用面临一定的困难。

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