超高压下生长多晶金刚石

大颗粒多晶金刚石已迅速应用于地质、冶金和石油钻探等工业部门中。目前在高温高压下制作大颗粒多晶金刚石,通过两种途径:一种是由石墨合成金刚石,再由金刚石微粉烧结而成。另一种,则是直接由石墨一次长成多晶金刚石。前一种方法已由科研进入到广泛的工业生产,而后一种,虽然开始得早,由于技术困难等原因,仍处于科研的实验阶段。探索这种金刚石的生长条件和机制,在理论和生产应用上都有其重要意义。本文就生长多晶金刚石的一些实验结果和扫描电镜观察分析,作一初步研究报道。     

C60晶体的电子辐照行为

C_(60)是异于石墨和金刚石的碳的第三种同素异形体,具有由20个六边形环和12个五边形环组成的足球式结构.自从1990年Kr(?)tschmer在实验室成功地常量制备并纯化C_(60)原子团簇以来,其奇异的结构和潜在的应用价值引起了人们的极大兴趣.C_(60)晶体在室温下为面心立方(fcc)结构,即一个足球状的C_(60)分子占据fcc的一个晶格位置,其晶格常数a=1.417nm.但是,目前人们对C_(60)晶体结构的稳定性还知之甚少.本文主要研究C_(60)晶体在电子辐照下的结构变化.     

大尺寸单晶金刚石同质连接技术

介绍了制备人造单晶金刚石的技术途径及发展现状,重点讨论并对比了几种化学气相沉积法(CVD)金刚石制备技术的优缺点,详细阐述了基于微波等离子体CVD (MPCVD)法的同质连接技术——一种突破晶体尺寸限制,实现大尺寸单晶金刚石的有效途径。通过该技术实现了英寸级单晶金刚石晶片的制备,并针对横向生长、界面质量及演化、三维结构连接控制等核心科学技术问题进行了分析和讨论,展望了其在尖端应用领域的发展前景。     

添加剂硼对合成Ib型宝石级金刚石单晶的影响

通过将一定比例的无定形硼粉加入到石墨-KOV触媒体系中, 在SPD6×1200型国产六面顶压机上利用温度梯度法成功合成出含硼Ib型宝石级金刚石单晶. 全面考察了添加剂硼对Ib型宝石级金刚石单晶的影响, 包括晶体的生长特点、晶体的形貌和氮含量. 通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)以及红外吸收光谱仪(IR)对合成出的含硼Ib型宝石级金刚石进行表征. 结果显示: 随着掺硼量的增加, 晶体的{111}面生长区域变宽, 而{100}变窄甚至消失; 当更多的硼原子进入金刚石晶格之中, 晶体颜色将变黑, 晶体缺陷增多, 晶体的氮含量也将下降. 本文的研究结果将促进含硼Ib型宝石级金刚石大单晶的技术开发和研究.     

氧吸附金刚石(100)表面的电子结构

利用基于密度泛函理论的第一原理方法, 计算了桥接型和顶接型氧吸附金刚石(100)表面的平衡态几何结构和电子结构. 结果表明, 桥接型氧吸附金刚石(100)表面带隙中不存在表面态, 价带中的占据态主要由O 2p未成键轨道和C—O轨道、C—H轨道作用诱发, 而顶接型氧吸附金刚石(100)表面带隙中存在未占据态, 来源于C 2p和O 2p的未成键轨道, 价带中占据态则由O 2p未成键轨道和C=O p键诱发.     

Si和Mo基片上气相生长金刚石薄膜的界面状态研究

在低压气相生长金刚石薄膜中,金刚石薄膜与基片间的界面状态是一个十分重要的问题,它不仅与金刚石在异质基片上的成核、生长机理有密切关系,而且在很大程度上决定着金刚石薄膜与基片的粘附性能.近几年来,人们首先较多地研究了单晶Si基片生长金刚石薄膜中的界面状态,认为在金刚石薄膜与Si基片之间存在着一个界面层或过渡层,其主要成分是β-SiC.但也有人认为不存在界面层,金刚石是在Si表面直接生长的.其它基片上生长金刚石薄膜的界面状态也曾见报道.     

激光诱发巴基管向金刚石的相转变

金刚石由于其超高的硬度,已逐渐成为切削、抗磨等方面的首选材料.C_(60)发现后,已有利用冲击法将其转变成金刚石的报道,巴基管与C_(60)结构上类似,但它相对于C_(60)来讲,成本低、容易大量生产,因此更有可能进入工程应用.目前,利用巴基管作为衬底,通过化学气相沉积的方法已生长出良好的金刚石薄膜,并使金刚石的成核和生长速率大为提高.同时,巴基管在高温高压下合成金刚石的研究工作也取得了可喜的进展 本文以球墨铸铁为基体,以巴基管为涂层,通过激光熔凝和后续热处理的方法,在铁-碳合金体系中获得了微米尺寸的金刚石晶粒.     

金刚石合成中的胶体观点

近几年来,关于溶剂一催化剂作用下的人造金刚石形成机理,如文献[1]所述,较多的学者认为,除考虑溶解在熔融金属中的碳原子转化外,应充分考虑“溶解”在熔融金属中石墨结构的原子集团向金刚石结构的原子集团的转化过程,提出了各种催化转化的模型。等从金刚石成核的动力学角度讨论胶体大小的石墨微粒转化为金刚石的可能性.本文通过分析高温、高压下石墨和熔融过渡金属的相互分散过程,提出了形成正电性胶体溶液的观点.     

人造金刚石低压合成的非平衡定态相图研究

人造金刚石能实现低压稳定的生长,同时可出现石墨的消蚀,对此无法用经典热力学来加以解释.用非平衡热力学耦合理论,可以对人造金刚石的低压合成作出明确的回答.对恒温恒压反应过程,用Gibbs自由能,(G)的变化来判断反应方向.(1)C(石墨)=C(金刚石);低压下,△G_1>0;反应自发地向左方.(2)H~*=1/2H_2,△G2<<0;反应强烈趋向于右方.反应(1)与(2)发生热力学耦合时,(3)=(1)+χ(2),C(石墨)+χH~*=χ/2 H_2+C(金刚石),只要耦合参数χ不是很小,△G_3=△G_1+χ△G_2<0;反应将趋向于右方.所以,有足够超平衡浓度     

含有微量硼元素的石墨对金刚石合成影响的研究

实验表明,在合成原料石墨中掺杂含硼材料可以合成出含硼金刚石。因此,了解这些摻杂物对高温高压金刚石合成过程及其存在形式和特征,对于进一步研究这种金刚石的形成机理以及有关性能方面的一些问题和对原料石墨进行选择是十分必要的。本文报道掺杂硼化物原料石墨合成金刚石的若干研究简况。     

纳米金刚石涂层上化学气相沉积金刚石薄膜的场电子发射

在爆炸法合成的纳米金刚石粉涂层上, 用微波等离子体化学气相沉积法制备了含有大量纳米晶的金刚石薄膜. 应用XRD, Raman和SEM对其结构进行了分析. 应用平面薄膜二极式结构研究了它的场电子发射特性, 结果表明: 这种含有纳米金刚石的薄膜具有更低的开启电压(1.8 V/mm)和更高的场发射电流密度(50 mA/cm²). 应用纳米金刚石晶粒的量子尺寸效应对这种实验结果给予了理论说明.     

硅的新型亚稳金属性同素异形体

从理论上提出了硅的一种新型金属性亚稳相,并通过弹性常数和声子谱的计算验证了该结构在常压下的稳定性.该结构可以通过以?-La Si5为前驱物,将其中的La原子去除获得.该结构中隧道型空隙的存在使其密度低于金刚石型结构的Si-I相.在这种结构中,有40%的硅原子为5配位,其他硅原子为4配位.电子结构的计算表明该结构具有金属导电性.导电性主要由于5配位原子的存在导致价电子出现离域性.配位数的改变也使得硅原子之间发生了一定的电荷转移,出现离子性.该结构的化学键中同时存在共价性、金属性和离子性.     

C_(60)的光致发光研究

由全碳组成的笼状簇合物(fullerene富勒烯)是不同于石墨,金刚石的碳的新的形态.其中具有截角正20面体结构的C_(60)是在合成富勒烯中采率最高的一种.采用不同的方法分析和计算,C_(60)固体(指FCC结构)的禁带宽度不相同,其值在2.6—1.5eV之间.对于C_(60)分子,采用LDA方法计算HOMO(最高填充分子轨道)同LUMO(最低空分子轨道)间能隙为1.9eV,采用SSH模型计算为1.7eV.群论分析表明其价带(即HOMO)属于h_u群,导带(即LUMO)属于t_(iu)群.由于t_(iu)同h_u的直积不包含t_(iu),所以C_(60)的带间(LUMO-HOMO)为禁     

在高温状态下TG64型石墨的碳—碳键长及力常数的研究

一、引言 石墨在高温下的特性已有许多人利用X光衍射的方法进行了研究。Fitzer给出了利用石墨平面内碳原子间E_(2g)振动模的频率来计算sp~2键的键长公式,该模型在常温下与实际符合的较好,但在高温下是否适用呢?本文利用X光衍射和拉曼光谱研究了用于合成人造金刚石的TG 64型石墨在高温下键长随温度的变化规律,指出用Fitzer模型在高温下计算石     

C_(60)单晶的“提拉”汽相法生长

近几年来,许多科学家都为C_(60).这种不寻常的中空碳原子的排列结构及其所呈现出的许多独特性质所吸引,如掺杂C_(60)的超导性,巴基球——铁磁体系等,因而对C_(60)的研究工作愈来愈深入,其中的原因之一应归于C_(60)单晶的生长.但是,由于所生长的C_(60)单晶的尺寸不够大,因而在某些方面限制了C_(60)的深入研究,例如C_(60)的电学和光学特性的研究.所以,许多科学家正致力于高质量大尺寸C_(60)单晶的生长.     

非故意掺杂与半绝缘GaN缓冲层上的AlGaN/GaN异质结构的高温电子输运特性

研究了非故意掺杂(UID)与半绝缘(SI)GaN缓冲层(BL)上的Al0.35Ga0.65N/GaN异质结构高温下的电子输运特性,应用Hall效应系统地测量了样品在高温下的电子面密度和电子迁移率随温度变化的关系.实验发现,高温下AlGaN/GaN异质结构的电子迁移率主要受到LO声子散射的作用,其中,UID-BL样品的电子面密度随温度升高而逐渐上升,SI-BL样品的电子面密度则随温度升高呈现先下降再平衡后上升的规律.对相应的未生长AlGaN势垒层的本征GaN薄膜的高温电阻特性分析表明,随着温度的升高,UID-BL样品的电子迁移率受到背景载流子的影响逐渐增大;SI-BL样品的电子迁移率在室温附近受附加位错散射的影响较大,600K以后受背景载流子的影响缓慢增强,这对于研究AlGaN/GaN异质结构器件的高温特性具有很好的参考意义.另外,由理论计算可知,高温下二维电子气(2DEG)逐渐向势垒层和缓冲层内部扩展,电子在第一子带的占据从室温下的86%下降到700K时的81%.     

Fe-C(H)系高温高压合成金刚石的研究及意义

Fe-C(H)系高温高压(HPHT)合成金刚石的形态、微形貌、微成分及微结构的研究表明, 所合成金刚石大多为八面体, 且自中心→边缘以片层式生长方式为主; HPHT合成金刚石粒度小, 极有可能与其形成仅经历了早期成核-长大阶段有关, 中后期会因为所合成金刚石小晶粒表面能的差异而聚结, 致使长大受限; Fe-C(H)系HPHT合成金刚石中聚合态氮的出现, 与氢可以有效降低单替代氮向聚合态氮转变的活化能有关; 目前, 通过氮聚合转变的计算获得天然金刚石的形成时间达到若干亿年, 这一问题值得商榷; 在充分关注氢的影响基础上, 从 HPHT 热力学的角度围绕表面能对金刚石长大的影响进行研究, 不但有利于解决金刚石HPHT合成中存在的问题, 而且可以在HPHT合成金刚石与天然金刚石形成的解释中建立桥梁.     

外电场中分子内电子转移速率常数的研究

电子转移在有机分子及生物体中有重要意义,是目前最活跃的研究领域之一.关于电子转移的速率理论,目前有Marcus的经典模型、对核运动作量子力学处理的量子力学模型,以及忽略核运动隧道效应而考虑非绝热电子态跃迁的半经典模型.在研究对称双势阱结构图1(a)的电子转移时,有适合于弱偶合的半经典动力学模型.而在外电场中,电子转移反应能垒降低,势能面结构不再是对称结构图1(b),这时,基元步骤为放热反应.当外电场达到某一阈值时,反应能垒完全崩溃,变为如图1(c)所示的无能垒结构.在外电场中考察反应的重组能(E_λ),电子转移矩阵元(V_(AB)),活化能及反应速率常数,对分子电子器件等的研究具有重要意义.本文在谐振模型近似下,建议外电场作用下双势阱结构的半经典模型,计算在外电场作用下共线电子转移O_2O_2~-→O_2~-O_2的透热势能面、过渡态结构参数及反应速率常数.     

金属包膜的结构与铁基触媒合成金刚石的生长

利用透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）研究了金属包膜的微观结构和表面形貌。结果：表明，石墨在包膜内完成了结构的转变，但不是金刚石结构；在靠近金刚石的内层包膜内发现γ-（Fe,Ni）的（11^-1^-）晶面与Fe3C的（100）晶面平行；包膜表面有锯齿状的AFM形貌，这与所对应的金刚石表面形貌相吻合。结合上述的平行关系和锯齿状形貌分析认为，Fe3C可能在金刚石生长过程中是一过渡相，γ-(Fe,Ni)吸引层状碳原子集团从Fe3C中脱溶，然后堆积在金刚石上。     

第一性原理分子动力学计算核幔边界条件下Ni的结构和动力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学计算了在地幔与外地核(核幔)边界条件下Ni的结构和动力学,发现在核幔条件(4000K,139GPa)下,Ni是一种液态结构.常压下液态Ni的原子排列主要是二十面体序,在压强的作用下,二十面体序有一个增加的过程,当压强大于68GPa后,二十面体序的增强过程发生逆转,大量的完整二十面体结构受到破坏,缺陷二十面体急剧增加.核幔边界条件下的液态Ni形成了一种由完整二十面体、缺陷二十面体、面心以及密排六方等其他原子排列方式并存的复杂结构.我们计算了液态Ni的扩散系数,其数量级大约为109m2/s,与相应条件下Fe的扩散系数的数量级相同.由于核幔边界条件下的高压作用,液态Ni原子比常压和低压下的Ni原子扩散得更慢,且在弛豫过程中出现了β弛豫.