人造金刚石晶体的生长机制

一、引言金刚石晶体具有某些优异的性能,是近代科学技术上引人注目的一种重要原材料,是固体物理学超高压高温下物质相变与新材料合成等研究工作中值得重视的一个对象。自然界中常见到的碳可分为金刚石晶型碳(如立方金刚石和六方金刚石)和非金刚石晶型碳(如无定形碳和石墨)等两类。人造金刚石就是通过改变压力、温度等条件,使非金刚石晶型     

碳60——化学、物理学、材料科学的最新重大发展

长期以来,石墨和金刚石被认为是纯碳仅有的两种同素异构体,1985年9月碳60的首次发现打破了这一概念。6年多来的研究已经确证这种由60个碳原子组成的球状碳分子是继石墨和金刚石之后发现的第3种纯碳形态。然而这一发现的意义远远不止于此。     

像金刚石一样硬?

金刚石晶莹剔透,光彩夺目,是为世人梦寐以求的宝石之最。但是,金刚石除了能唤起人们的神秘感和浪漫情怀之外,它还具有其另外的世俗之一面:在工业上使用。金刚石的非凡硬度,使其在切割和打磨其他硬质材料、增强制造工具的耐久性方面,具有无可替代的地位。 乍看一粒金刚石,很难令人相信,其生成物质与一支石墨铅笔芯、一块松软的煤炭没有两样。金刚石的碳原子按刚硬的晶体结构排列,而石墨的碳原子却形成光滑扁平的薄片。 1955年,美国通用电气公司的科学家通过对石墨施加极高压力的方法,首次制得合成金刚石。用这种方法制成的金刚石,像砂粒一样细微,所以其最好的工业用途是作磨料。 但是,金刚石作为一种切割工具,亦非万能。比方说,用金刚石切割钢就不太顶用。钢基本是铁与碳的混合体,遇到高温,铁就变得像吸附碳的海绵一般,与金刚石中的碳     

碳-60新材料及其纳米结构特点

不少科学家最近将他们的注意力转向碳-60。这一方面是由于碳-60在结构上意义极不寻常,它是金刚石和石墨以外的第三种碳的结晶形式;另一方面是由于碳-60类材料在     

扬子克拉通及华北克拉通大陆岩石圈地幔碳同位素组成及其差异: 金刚石碳同位素原位测试证据

金刚石碳同位素组成和对比是了解克拉通大陆岩石圈地幔物质组成及其演化的窗口. 本文用二次离子质谱(SIMS)方法对产于华北克拉通(山东蒙阴和辽宁瓦房店)和扬子克拉通(湖南沅水流域)的11颗金刚石不同生长层的碳同位素组成进行了123个点高精度原位(in-situ)测试. 结果显示, 华北克拉通和扬子克拉通金刚石碳同位素组成存在一定差异; 华北克拉通金刚石早期生长“核心”碳同位素δ¹³C组成平均为-3.0‰(VPDB), 分布范围为-6.0‰~-2.0‰, 与全球橄榄岩型金刚石一致; 扬子克拉通金刚石早期“核心”δ¹³C平均为-7.4‰, 分布范围为-8.6‰~-3.0‰, 和榴辉岩型金刚石特点一致; 3个产地单颗金刚石不同生长层碳同位素变化不具有一致性, 与是否含包裹体无关, 但与金刚石是否存在溶蚀间断明显有关, 证实金刚石生长过程地幔流体碳同位素组成不均一, 碳储库(介质)不均一性对金刚石生长过程碳同位素变化的影响较分馏作用更为明显; 与此同时, 现有的测试结果显示, 华北和扬子克拉通金刚石中心-边缘生长层碳同位素变化与氮含量之间缺乏相关性, 反映我国两个克拉通金刚石生长过程中地幔流体碳和氮元素之间存在复杂的交换、地球化学环境可能相对开放. 上述结果暗示, 金刚石形成时扬子克拉通和华北克拉通地幔交代流体碳的组成及来源存在差异.     

金伯利岩与金刚石

本文简要介绍了自然界分布极少,来源最深的一种火成岩 — 金伯利岩、其中的地幔捕虏体以及金刚石的特征,他们三者有着密切成因联系。金伯利岩岩浆来自深达200 km的地幔,地幔内部在高温、高压及低氧逸度的环境下可以结晶出金刚石,当岩浆快速上升时携带了地幔捕虏体及其解体矿物,金刚石也是被携带的矿物之一。除了碳的微粒通过固体扩散形成金刚石外,流体及熔体对金刚石生长过程所起的作用也不可忽视。     

科学家们发现一种新的碳分子

美国亚利桑那大学的物理学家达罗·霍夫曼和德国核物理研究院的博根·克罗奇迈尔最近共同发现了一种新的碳分子。这种碳分子由60个碳原子构成,这60个碳原子相互连接成近似球形的32面体。众所周知,碳是最普通的元素,它与其他元素形成的化合物是地球上最常见的物质。过去,人们仅知道有2种形式的纯碳,一种是石墨,另一种是金刚石。这次两位科学家创立了一种大量生产新型碳分子的简便方法,他们首先将石墨棒放入一个密封的容器,然后抽干容器中所有的空气,再使电流通过石墨棒,电     

富勒体——未来的碳素材料

地球上没有任何一种元素能像碳这样由单一元素而能形成外观千变万化、性能千差万别和用途多种多样的制品。单就同素异形体而言,就有金刚石、石墨和咔(口宾)等,富勒体(fullerite)则是新发现的第四种。它是由60个碳原子构成的具有笼形结构的碳簇,又名足球烯(footballene)、英式足球碳簇(soccerball-clus-     

大密度金钢石

设在美国纽约州斯克内克塔迪市的通用电气研究与发展中心(GE)的化学家用含有过量的中子的碳制成了人造金刚石。GE的化学工程师W·F·班霍尔泽说:“天然金刚石一般含碳13同位素不足1％,而这种新金刚石却含有碳13同位素达99％。完成这项分析的同行,福特汽车公司H·霍格韦说:“用高分辨率的X射线衍射仪测量了天然金刚石和五个GE的人造金刚石,这种较重的人造金刚石碳原子排列比碳12同位素金刚石更紧密”。GE的科学家们也描述了人造金刚石的晶体质量,它的质量几乎与硅半导体相匹敌,包括目前已知的一些极少有缺陷的晶体。GE的研究人员首次制成的极小金刚石束它含有要求数量的较重碳原子。为了做到这一点,他们使     

神奇的碳纳米管

读者朋友一定还记得中学化学课上学到的碳这一奇妙的物质,它的两种同素异形体,性质完全相反:金刚石堪称自然界的“第一硬”,而石墨又是各种矿物中软得不能再软的一种。近年来纳米技术的兴起又为它带来了另一大新奇,这就是碳的另一种同素异形体——碳纳米管(脚注)。     

碳纳米管及其研究进展

引言1991年,日本电子公司(NEC)的饭岛澄男博士在用电子显微镜观察石墨电极直流放电的产物时,发现一种新的碳结构——碳纳米管(CarbonNan-otubes,CNTs),自此开辟了碳科学发展的新篇章,也把人们带入了纳米科技的新时代。碳纳米管具有一维中空的纳米结构,管径一般为几个纳米到几十纳米,管长可达几十微米甚至更长,比表面积大,机械强度高,热导率是目前导热性能最好的金刚石的2倍,电流传输能力是金属铜线的1000倍,同时还有独特的金属或半导体导电性,在场发射、分子电子器件、复合材料增强体、催化剂载体等领域有着广泛的应用前景。短短十几年,…     

钻石上帝的厚礼

钻石来自天外？你也许听说过硬币来白天堂，但你听说过钻石来白天外吗”严格地讲，钻石的矿物名叫金刚石，是一种结晶碳，金刚石只有在经过切削打磨之后才可以称作钻石＿钻石以其罕有珍贵、质地最硬、永不磨损、光芒璀璨的特点得到人类的厚爱目前有科学家认为，组成钻石的碳来自外太空。他们说，大约50亿年前，超新星（爆炸、濒死的恒星）向太阳系释放碳，陨星则把碳带往地球，当时地球的高热和高压将碳变成了钻石。科学家早就认为黑金刚石（也叫黑钻石）就是这样形成的，现在他们把这一理论用干一切钻石的形成过程。科学家们曾经推测，钻石…     

动手做一个碳60分子模型

获得诺贝尔奖的重要发现 碳60是晶状炭单质的第三种形态——群集态。虽然很久以前在宇宙光谱中就发现了它,但是在地球上有没有呢?有人曾武断否定,“从X射线衍射分析可知,碳只有金刚石和石墨两种同素异形体,无定形炭都是纯度不等的石墨物质”。 1985年人们在宇宙尘埃质谱图上确认质荷比720峰就是碳60     

来自C60分子简易合成的研究兴趣

除金刚石和石墨外,第三种形态固体碳的存在目前似乎无可争辩,在亚利桑那大学和德国马克斯普朗克(Max Planck)研究院核物理研究所,协作研究的物理学家们已能合成可回收批量的固态物质Buckminsterfullerene(又称"巴基球")一种具有英式足球     

由金刚石和石墨所想到的

金刚石和石墨本出一源.化学向人们揭示了它们的共同元素--碳,导致差异的是不同原子的排列,以及它们的互化.     

华北地台地壳的增长速率——一种壳幔质量平衡原理的估算方法

至今,已提出地壳生长的三种基本模式:(1)陆壳增长的速率呈指数增加,即现今二分之一以上的陆壳是在显生宙形成的;(2)地史早期陆壳快速增长,而后陆壳物质通过地幔或地壳内进行再循环使地壳增长减慢或停止;(3)陆壳呈线性速率增加并伴随着地壳内的再循环。以上三种模式是根据以下几方面的研究得出的:(1)同位素地球化学;(2)岩石同位素年龄值的区域分布;(3)沉积物的化学成分对比等;(4)自太古宙以来大陆厚度与海平面的相对不变性。本文将提出一种利用地壳与地幔之间质量平衡原理的方法来估计地质时期地壳的增长速率。     

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。     

直流电弧等离子体射流法沉积金刚石薄膜

金刚石以其卓越的理化性能而受到人们普遍重视。近年来兴起的低压气相合成法,为金刚石在各领域中的更广泛应用提供了光明的前景。但诸多种低压合成法的不足之处在于金刚石的沉积速率还比较低,在某种程度上限制了它的应用范围。直到80年代末,才在日本出现了一种高速沉积金刚石薄膜的方法,就是直流电弧等离子体射流方法,其沉积速率比其它低压法要高几倍到几十倍。     

金刚石合成中成核与温度和压力的关系

作者曾由金刚石合成实验的结果得出金刚石成核数与温度的定性关系曲线(图1),并对此作了动力学方面的讨论。所示曲线表明,在获得金刚石的整个合成温度范围内,成核数随温度升高而单调减少。曲线左端B点处,即所用金属或合金与碳的低共熔点附近,有一突变,实际上这一突变的斜率比图1中虚线AB所示的斜率要     

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。