利用不同籽晶面生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)寶石級(jí)金剛石單晶
　　摘　要:為了研究不同籽晶生長(zhǎng)面合成寶石級(jí)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(zhǎng)面的優(yōu)質(zhì)寶石級(jí)金剛石單晶(>4 mm),并與以籽晶{1 1 1}作為生長(zhǎng)面合成的晶體作了對(duì)比分析。結(jié)果表明:隨著合成溫度的升高,用{1 0 0}面生長(zhǎng)出的晶體形貌由低溫片狀逐漸過(guò)渡到高溫塔狀,而用{1 1 1}面生長(zhǎng)出的晶體形貌變化趨勢(shì)則相反;采用籽晶{1 0 0}面或{1 1 1}面生長(zhǎng)晶體,無(wú)論合成溫度高低,包裹體都不容易進(jìn)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(zhǎng)優(yōu)質(zhì)大尺寸寶石級(jí)金剛石(≥4 mm)。因此可以利用該方法尋找物美價(jià)廉的新觸媒以取代目前價(jià)格日益增長(zhǎng)的NMi nCo合金。
　　關(guān)鍵詞:凝聚態(tài)物理學(xué);寶石級(jí)金剛石;溫度梯度法;籽晶;觸媒
　　中圖分類號(hào):O469　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jí)金剛石單晶(>1mm)是由美國(guó)G. E.公司在20世紀(jì)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(jí)金剛石單晶,除了要求嚴(yán)格控制晶體的生長(zhǎng)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(duì)不同金屬觸媒選擇合適的籽晶生長(zhǎng)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(zhǎng)面,而且籽晶{1 1 1}面同樣可以用來(lái)生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)大尺寸寶石級(jí)金剛石單晶(≥4 mm)。通常用的籽晶多為高品級(jí)粗顆粒的磨料級(jí)六八面體小單晶(≥0. 5 mm),基本是由{1 1 1}和{1 0 0}生長(zhǎng)面組成,尤其是{1 0 0}面被廣泛用作籽晶生長(zhǎng)面[4-6],然而有關(guān)用籽晶{1 1 1}面作為生長(zhǎng)面的報(bào)道較少。
　　作者選用NMi nCo合金觸媒,使用了不同的籽晶生長(zhǎng)面合成寶石級(jí)金剛石單晶,并考察了以
　　籽晶{1 0 0}和{1 1 1}面作為生長(zhǎng)面對(duì)合成晶體的形貌及品質(zhì)的影響。
　　1　實(shí)　驗(yàn)
　　本文實(shí)驗(yàn)均是在國(guó)產(chǎn)SDP6×1200型六面頂壓機(jī)上進(jìn)行的。利用溫度梯度法合成寶石級(jí)金剛
　　石單晶的典型組裝示意圖如圖1所示,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件下會(huì)迅速(幾分鐘內(nèi))轉(zhuǎn)化為金剛石;觸媒選用國(guó)內(nèi)普遍采用的片狀觸媒NMi nCo合金(各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為70∶25∶5);籽晶選用粒度約為0. 5mm的進(jìn)口高品級(jí)六八面體單晶,在籽晶使用前將表面處理干凈,機(jī)械鑲嵌在晶床上,只留下籽晶生長(zhǎng)面{1 0 0}或者{1 1 1}與觸媒接觸,然后置于低溫處。實(shí)驗(yàn)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(guò)酸處理最后得到表面干凈的金剛
　　石晶體,然后在光學(xué)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(jí)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(huì)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(duì)寶石級(jí)金剛石合成來(lái)說(shuō),籽晶生長(zhǎng)面在V型區(qū)內(nèi)所處的不同位置將直接對(duì)應(yīng)著晶體形貌的變化。
　　用籽晶{1 0 0}面作為生長(zhǎng)面,觸媒選用NMi nCo合金進(jìn)行優(yōu)質(zhì)寶石級(jí)金剛石單晶的合成研究已有很多報(bào)道[4-6],然而,為了增加實(shí)驗(yàn)的可比性,每次實(shí)驗(yàn)均采用多籽晶法,籽晶對(duì)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(zhǎng)面,一半用{1 1 1}作為生長(zhǎng)面。保持5. 5GPa的合成壓力不變,在不同溫度下進(jìn)行寶石級(jí)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)。可以看出,同一溫度下,用籽晶{1 0 0}面作為生長(zhǎng)面與用籽晶{1 1 1}面作為生長(zhǎng)面合成出的晶體形貌完全不同,塔狀與片狀對(duì)立生長(zhǎng)。隨著合成溫度的提高,生長(zhǎng)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(guò){1 0 0}+{1 1 1}組合的六八面體聚形逐漸過(guò)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(zhǎng)面,晶體形貌則完全呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì),即由低溫{1 0 0}金字塔狀晶體逐漸過(guò)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(shì)是由晶體生長(zhǎng)機(jī)制決定的。對(duì)于金剛石單晶生長(zhǎng)過(guò)程而言,{1 0 0}和{1 1 1}面都是軸向?qū)訝疃讯迳L(zhǎng),徑向表面平鋪生長(zhǎng);隨著溫度的升高, {1 0 0}面生長(zhǎng)速度越來(lái)越快, {1 1 1}面越來(lái)越慢,所以{1 1 1}生長(zhǎng)區(qū)越來(lái)越容易留下來(lái),從而造成晶體在外延籽晶{1 0 0}和{1 1 1}生長(zhǎng)面定向生長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)截然不同的變化趨勢(shì)。
　　從圖4中包裹體的分布來(lái)看,在一定的生長(zhǎng)速度下,隨著溫度的升高,對(duì){1 0 0}生長(zhǎng)面,層狀包裹體越來(lái)越容易留在塔狀晶體內(nèi)部,而包裹體不容易進(jìn)入低溫片狀晶體中;而對(duì){1 1 1}生長(zhǎng)面而言,趨勢(shì)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(jìn)入包裹體,其中塔狀晶體要避免包裹體的進(jìn)入相對(duì)困難些。但如果進(jìn)一步降低晶體的生長(zhǎng)速度,也會(huì)得到純凈的優(yōu)質(zhì)寶石級(jí)金剛石單晶[4]。
　　從大尺寸(>4 mm)的優(yōu)質(zhì)寶石級(jí)金剛石大單晶的生長(zhǎng)情況看,使用NMi nCo觸媒,只要存在合適的溫度梯度,籽晶生長(zhǎng)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(zhǎng)出超過(guò)4mm的寶石級(jí)金剛石,見圖5。
　　3　結(jié)　論
　　(1)對(duì){1 0 0}來(lái)說(shuō),隨著合成溫度的升高,晶體形貌由低溫片狀逐漸過(guò)渡到高溫塔狀,而用{1 1 1}面生長(zhǎng)出的晶體形貌變化趨勢(shì)則相反。
　　(2)無(wú)論采用籽晶{1 0 0}面或者{1 1 1}面生長(zhǎng)晶體,無(wú)論合成溫度高低,包裹體都不容易進(jìn)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(zhǎng)優(yōu)質(zhì)大尺寸寶石級(jí)金剛石(≥4 mm)。
　　(4)使用NMi nCo觸媒,無(wú)論籽晶用{1 0 0}和{1 1 1}作為生長(zhǎng)面,均可以生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)寶石級(jí)金剛石單晶,因此可以利用該方法尋找物美價(jià)廉的新觸媒以取代NMi nCo合金。
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