利用不同籽晶面生長優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶
　　摘　要:為了研究不同籽晶生長面合成寶石級金剛石單晶(>1 mm),以NMi nCo金屬觸媒,采用高溫高壓溫度梯度法合成了籽晶{1 0 0}生長面的優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶(>4 mm),并與以籽晶{1 1 1}作為生長面合成的晶體作了對比分析。結(jié)果表明:隨著合成溫度的升高,用{1 0 0}面生長出的晶體形貌由低溫片狀逐漸過渡到高溫塔狀,而用{1 1 1}面生長出的晶體形貌變化趨勢則相反;采用籽晶{1 0 0}面或{1 1 1}面生長晶體,無論合成溫度高低,包裹體都不容易進入片狀晶體內(nèi)部;只要存在合適的溫度梯度,NMi nCo觸媒同樣適合利用籽晶{1 1 1}面生長優(yōu)質(zhì)大尺寸寶石級金剛石(≥4 mm)。因此可以利用該方法尋找物美價廉的新觸媒以取代目前價格日益增長的NMi nCo合金。
　　關鍵詞:凝聚態(tài)物理學;寶石級金剛石;溫度梯度法;籽晶;觸媒
　　中圖分類號:O469　　文獻標識碼:A
　　Growth ofH igh-quality Gem Diamondswith Different Seed Facets
　　ZangChuan-y,iMaHong-an,TianYu,XiaoHong-yu, JiaXiao-peng
　　(NationalKeyLaboratory forSuperhardMaterials, Jilin University, Changchun130012, China )
　　Abstract:To study gem-grade diamond crystals(>1 mm)synthesized on different seed facets, high-qualitygem-grade diamond crystal(>4 mm) was synthesized on {1 1 1} seed facetswith NMi nCo asmetal solventusing temperature gradientmethod (TGM) underhigh pressure and high temperature(HPHT), and comparedwith thatgrown on {1 0 0} face.t The results show that in the case of {1 0 0} , the morphology of crystalchanges from low-temperature sheet to high-temperature towerwith increasing the synthesized temperature,whereas in the case of {1 1 1} the change trend is contrary to {1 0 0}. When {1 1 1} facetor {1 1 1} was used as the growth face,t the sheet-like crystal is more difficult to incorporated for the metal inclusion regardless of synthesized temperature. W ithNMi nCometal as solven,t large high-quality gem-grade diamonds
　　can also grow on {1 1 1} facetwith proper temperature gradien.t Therefore, thismethod can be used to seek a cheapermetal solvent to replace expensiveNMi nCo alloy for diamond synthesis.Key words:condensedmatter physics; gem diamond; temperature gradientmethod; seed;metal solvent
　　引　言
　　高溫高壓溫度梯度法合成優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶(>1mm)是由美國G. E.公司在20世紀70
　　年代開發(fā)出的一種行之有效的合成方法[1-3]。合成優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶,除了要求嚴格控制晶體的生長速度外,籽晶的選擇也很重要。不僅要求籽晶表面干凈,更重要的是對不同金屬觸媒選擇合適的籽晶生長面。作者研究發(fā)現(xiàn),使用NMi nCo合金觸媒,不僅籽晶{1 0 0}面適合用作生長面,而且籽晶{1 1 1}面同樣可以用來生長優(yōu)質(zhì)大尺寸寶石級金剛石單晶(≥4 mm)。通常用的籽晶多為高品級粗顆粒的磨料級六八面體小單晶(≥0. 5 mm),基本是由{1 1 1}和{1 0 0}生長面組成,尤其是{1 0 0}面被廣泛用作籽晶生長面[4-6],然而有關用籽晶{1 1 1}面作為生長面的報道較少。
　　作者選用NMi nCo合金觸媒,使用了不同的籽晶生長面合成寶石級金剛石單晶,并考察了以
　　籽晶{1 0 0}和{1 1 1}面作為生長面對合成晶體的形貌及品質(zhì)的影響。
　　1　實　驗
　　本文實驗均是在國產(chǎn)SDP6×1200型六面頂壓機上進行的。利用溫度梯度法合成寶石級金剛
　　石單晶的典型組裝示意圖如圖1所示,可根據(jù)實驗需要合理調(diào)整溫度梯度大小。碳源為人造高純石墨,置于高溫處,在實驗條件下會迅速(幾分鐘內(nèi))轉(zhuǎn)化為金剛石;觸媒選用國內(nèi)普遍采用的片狀觸媒NMi nCo合金(各元素的質(zhì)量分數(shù)比為70∶25∶5);籽晶選用粒度約為0. 5mm的進口高品級六八面體單晶,在籽晶使用前將表面處理干凈,機械鑲嵌在晶床上,只留下籽晶生長面{1 0 0}或者{1 1 1}與觸媒接觸,然后置于低溫處。實驗樣品直接加溫加壓至合成條件(5. 5GPa, 1250~1300℃),保持10~20 h,然后卸壓取出樣品。經(jīng)過酸處理最后得到表面干凈的金剛
　　石晶體,然后在光學顯微鏡下觀察其形貌以及包裹體的存在情況。
　　2 結(jié)果與討論
　　溫度梯度法合成優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶的基本前提就是要保證在金剛石合成的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),碳源(金剛石)與籽晶之間存在合適的溫度梯度。圖2是在有金屬觸媒參與的金剛石合成的V型區(qū)示意圖,由石墨與金剛石的平衡線和金屬與金剛石的共晶線相交而成,不同觸媒該區(qū)域也會不同。根據(jù)合成金剛石的晶體特征及p、T條件,該區(qū)域可分成{1 0 0}(六面體低溫區(qū))、{1 0 0}+{1 1 1}(六八面體中溫區(qū))、{1 1 1}(八面體高溫區(qū))三部分。對寶石級金剛石合成來說,籽晶生長面在V型區(qū)內(nèi)所處的不同位置將直接對應著晶體形貌的變化。
　　用籽晶{1 0 0}面作為生長面,觸媒選用NMi nCo合金進行優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶的合成研究已有很多報道[4-6],然而,為了增加實驗的可比性,每次實驗均采用多籽晶法,籽晶對稱分布, 以確保溫度的均一性,一半籽晶選用{1 0 0}作為生長面,一半用{1 1 1}作為生長面。保持5. 5GPa的合成壓力不變,在不同溫度下進行寶石級金剛石單晶的合成。圖3(a)-(c)所獲金剛石單晶的壓力均為5. 5 GPa,合成溫度分別為1250℃(圖2中S1位置)、1265℃(圖2中S2位置)、1290℃(圖2中S3位置)?？梢钥闯?同一溫度下,用籽晶{1 0 0}面作為生長面與用籽晶{1 1 1}面作為生長面合成出的晶體形貌完全不同,塔狀與片狀對立生長。隨著合成溫度的提高,生長面為{1 0 0}的晶體形貌由低溫狀態(tài)的純{1 0 0}片狀晶體經(jīng)過{1 0 0}+{1 1 1}組合的六八面體聚形逐漸過渡到高溫純{1 1 1}金字塔狀晶體,如圖4(a)所示[7, 8];然而如果用{1 1 1}作為生長面,晶體形貌則完全呈現(xiàn)相反的變化趨勢,即由低溫{1 0 0}金字塔狀晶體逐漸過渡到高溫純{1 1 1}片狀晶體,如圖4(b)所示。出現(xiàn)完全相反的變化趨勢是由晶體生長機制決定的。對于金剛石單晶生長過程而言,{1 0 0}和{1 1 1}面都是軸向?qū)訝疃讯迳L,徑向表面平鋪生長;隨著溫度的升高, {1 0 0}面生長速度越來越快, {1 1 1}面越來越慢,所以{1 1 1}生長區(qū)越來越容易留下來,從而造成晶體在外延籽晶{1 0 0}和{1 1 1}生長面定向生長時出現(xiàn)截然不同的變化趨勢。
　　從圖4中包裹體的分布來看,在一定的生長速度下,隨著溫度的升高,對{1 0 0}生長面,層狀包裹體越來越容易留在塔狀晶體內(nèi)部,而包裹體不容易進入低溫片狀晶體中;而對{1 1 1}生長面而言,趨勢正好相反,隨著溫度降低,包裹體容易留在晶體內(nèi)部。但二者共同之處就是片狀晶體內(nèi)部都不容易進入包裹體,其中塔狀晶體要避免包裹體的進入相對困難些。但如果進一步降低晶體的生長速度,也會得到純凈的優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶[4]。
　　從大尺寸(>4 mm)的優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石大單晶的生長情況看,使用NMi nCo觸媒,只要存在合適的溫度梯度,籽晶生長面不僅局限于{1 0 0}面[5],采用籽晶{1 1 1}面同樣可以生長出超過4mm的寶石級金剛石,見圖5。
　　3　結(jié)　論
　　(1)對{1 0 0}來說,隨著合成溫度的升高,晶體形貌由低溫片狀逐漸過渡到高溫塔狀,而用{1 1 1}面生長出的晶體形貌變化趨勢則相反。
　　(2)無論采用籽晶{1 0 0}面或者{1 1 1}面生長晶體,無論合成溫度高低,包裹體都不容易進入片狀晶體內(nèi)部。
　　(3)只要存在合適的溫度梯度,NMi nCo觸媒同樣適合利用籽晶{1 1 1}面生長優(yōu)質(zhì)大尺寸寶石級金剛石(≥4 mm)。
　　(4)使用NMi nCo觸媒,無論籽晶用{1 0 0}和{1 1 1}作為生長面,均可以生長出優(yōu)質(zhì)寶石級金剛石單晶,因此可以利用該方法尋找物美價廉的新觸媒以取代NMi nCo合金。
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