金刚石晶体的V形生长区

晶界知识整理

晶体缺陷分类及特征： [1] 点缺陷（ point defect ）：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。 [2] 线缺陷（ line defect ）：特征是在两个方向上尺寸很小 , 另外一个方面上很大，又称一维缺陷，如各类位错。 [3] 面缺陷（ planar defect ）：特征是在一个方面上尺寸很小 , 另外两个方面上很大，又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。
能全部吻合，而使部分形成共格区，不吻合处形成韧位错，晶面
间距比较小的一个相发生应变，
在界面位错线附近发生局部晶格畸变。
半共格界面示意
孪晶（twin）的定义：指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成对称的位相关系，这两个晶体就称为孪晶，这个公共的晶面即成为孪晶面。
孪晶分类：
①共格孪晶面（ coherent twin boundary ）：
一、晶体生长二、过冷度三、晶向与界面四、晶界结构
生长界面结构决定了晶体生长机制。界面的稳定性关系到晶体生长的完整性。晶体的生长形态取决于各个晶面的相对生长速率。对于晶体生长而言：固液界面在宏观上是凸形、凹形还是平坦面，在界面上有无小界面出现、流体中对流的大小、体系的热稳定性等。
空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。多晶体中，每一个晶粒就是一个小单晶。相邻晶粒的位向不同，交界面叫晶粒界，简称晶界。晶粒内部位向差极小的亚结构，交界为亚晶界。
晶界的结构、性质与相邻晶粒的位向差有关。位向差小于10o，小角度晶界；10o以上，大度角晶界。
晶界处原子排列紊乱，能量增高≥晶界能。
确定晶界位置用：

高品质的大钻石晶体的生长速率

高品质的大钻石晶体的生长速率摘要：对于在高压和高温下采用温度梯度法生长无包裹体的高品质的金刚石晶体的实验已展开研究。

7-8克拉的无杂质的高品质Ⅱa型金刚石晶体可以通过选择合适的金属溶剂和添加剂并且以高温控制并维持一段时间的方式以6-7mg/h的高速率生长。

通过使用大型种子晶体并且以温度控制来调整形态可以使含有氮杂质的Ⅰb型金刚石晶体可以在15毫克/小时的较高的生长速率下生长。

这种大型种子生长II a型金刚石单晶的方法是不适用的，因为它在生长过程中很难控制它的晶体形态。

关键词：晶体形态；高温生长法；单晶体生长;金刚石一.简介生长较大的金刚石晶体的最有效的方法是在高温高压下的温度梯度生长法。

这种方法1971年成功合成了约1克拉的金刚石晶体（5-6毫米）。

然而，这个生长过程却因为是过于昂贵而不能转化为当时的商业化生产。

据在论文中的报道，含有分散10-100 ppm的氮杂质Ib型金刚石晶体的增长率必须限制其低于2.5毫克/小时，以避免无氮金属夹杂物的形成，同时IIa型金刚石单晶杂质，必须生长在1.5 mg/ h以下的较低的生长率内。

有必要的进行缓慢的控制过程进而使生长成高品质的大金刚晶体的的过程是非常困难和昂贵的。

因此提高生长速度的限制是不可或缺的。

1985年，由于有限的生长率增长到4毫克/小时，使用优化生长条件的温度梯度法大规模生产过程，约1克拉的Ib 型金刚石晶体被成功地商业化生产。

此外，在1990年，使用大型种晶法生长出了晶体增长率高达15毫克/小时的Ib 型9克拉（12毫米对面间距）的金刚石晶体。

因此，黄色的Ib型大金刚石晶体可以在一个较高的生长速度下生长，并且可用于商业化生产。

然而，因为金属夹杂的问题，使生产高纯度的IIa型金刚石晶体商业化已经是不可能的。

当氮以吸附形式被添加到溶剂金属中后，往往促进晶体中的包裹体的形成。

为了避免发生包裹，增长率必须保持在非常低，如1毫克/小时。

在过去的几年中，我们已经成功地合成出增长率高达3毫克/小时且晶体中含有杂质小于0.1 ppm的越来越高品质的IIa型金刚石晶体。

金刚石(Diamond)

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟金刚石(Diamond)C【化学组成】成分中可含有N、B、Si、Al、Na、Ba、Fe、Cr、Ti、Ca、Mg、Mn 等元素。

其中N、B 最为重要，是目前金刚石分类的基本依据。

首先根据是否含N 分为两类：一是含N 者为Ⅰ型，Ⅰ型又据N 的存在形式进一步分为Ⅰa 型和Ⅰb 型。

Ⅰa 型中N 含量大于0.1%，以细小片状的形式存在，增强了金刚石的硬度、导热性、导电性。

天然金刚石中98%为Ⅰa 型。

Ⅰb 型中N 含量很小，N 以单个原子置换金刚石中的C，Ⅰb 型绝大多数见于人造金刚石中，而仅占天然金刚石的1%左右。

二是不含N 或含量极微(＜0.001%)，又根据是否含B 进一步分为Ⅱa 型和Ⅱb 型。

Ⅱa 型一般不含B。

天然的金刚石中Ⅱa 型含量很小。

具良好的导热性是Ⅱa金刚石的特性。

Ⅱb 型含B 杂质元素，往往呈天蓝色，具半导体性能，Ⅱb 型金刚石在自然界中也罕见。

此外，还可出现混合型金刚石，即同一颗粒金刚石内，氮的分布不均匀，既有Ⅰ型区，又有Ⅱ型区；或既有Ⅰa 型区，又有Ⅰb 型区。

【晶体结构】等轴晶系；；a0=0.356nm;Z=8。

在金刚石的晶体结构(图Z-5)中C 分布于立方晶胞的8 个角顶和6 个面中心,在将晶胞平均分为8 个小立方体时，其中的4 个相间的小立方体中心分布有C(图Z-5(a))。

金刚石结构中的C 以共价键与周围的另外4 个C 相连,键角109°28′16″，形成四面体配位(图Z-5(b))。

金刚石具有紧密的结构，原子间以强共价键相连，这些特征造成了它具有高硬度、高熔点、不导电的特性。

由于结构在{111}方向上原子的面网密度大，其间距也大，故产生{111}中等解理。

图Z-5 金刚石的晶体结构(引自潘兆橹等，1993)。

立方金刚石的晶体结构

❖ 双晶是两个以上同种晶体按一定的对称规律形成的规则连生。钻石常出现接触双晶类型，接触双晶是指双晶个体以平面相接触而连生在一起。
（由两个八面体构成的天然双晶钻石晶体）
（由两个立方体构成的天然穿插双晶）
2-2金刚石的主要机械物理性能
❖ 2-2-1机械性能 ❖ 1、硬度 ❖ 莫氏硬度10、 ❖ 显微硬度10600 （大于30GPa） ❖ 硬度金刚石的摩氏硬度为10，是
24
0.03
36
1.04
109
3.75
189
4.2
536
5.4
795
30.8
1120
100
1427
146
2060
833
10600 117000
﹡以α–石英作为100，为相对标准。
几种常见材料的硬度比较
2.硬度与原子结构的关系各向异性晶体不同方向硬度有一定差异< 111 >> <
110> > < 100> ……(用立方模型表示)。这给钻石的加工带来了方便。金刚石的高硬度保证了钻石的耐磨性，永不磨损。为什么沿不同方向加工的难易不一样？
最硬的物质。 ❖ 这种10级硬度是相对的。实际上它
是硬度为9的刚玉的绝对硬度的150 倍，比硬度为7的水晶大1000倍
矿物
滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石石英黄玉刚玉金刚石
摩斯硬度
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
压入硬度研磨硬度﹡
(Vicker kg/mm2) (Rosival)
❖ 4、强度 ❖ 强度是衡量金刚石晶体质量的主要指标 ❖ 1）抗压强度 ❖ 一般磨料级1.5GPa ❖ 高品级3-5GPa ❖ 2)抗冲击韧性 ❖ 3）弹性模量与压缩系数

高温高压下金刚石成核机制的研究

系内过剩压力发生微小改变时，常会导致成核数的通
Ｔ（ｉ）ｍｎＴ（ｎｍｉ）
ｐ２
ｐ‘
图２金刚石合成工艺曲线示意图
大量改变。此外，在高压条件下，金刚石晶体具有较高
的生长驱动力，成金刚石以非常快的速度进行生长，造
Ｔ１４Ｑ６文献标识码ＡＤＩ码Ｏ编１．９９ｊｉｎ１００３６／．ｓ．０６—８２２１．３０３ｓ５Ｘ．０１０．０
中图分类号
Ｓｔｙｏｕｄｎｎｕｃｅｔｏｍｅｈｎｉｍｆｄａｏｄｎｄｒｈｇｅｓｅｌａｉｎｃａｓｏｉｍｎｕｅｉｈｐｒｓｕｒａｄｈｉｈｅｐｅａｕｅｃｎｄｔｏ ∥ ｎｇｔｍｒｔｒｏｉｉｎｓ
况如表１示。所
表１体系中在不同压力条件下金刚石的合成
控制，是合成优质金刚石单晶的关键。
由于金刚石的成核过程非常短暂，且成核初期而粒度较小，以得到控制，难因此对这方面的考察难以实现。本文针对金刚石合成的特性，通过调整合成工艺对金刚石合成区域的不同生长习性进行了详细的考察，并进一步推测高温高压条件下金刚石的成核过程。
ｔｅｄａｏｄｓｎｈｓｎｅｉｒｓｒｎｉｈｔｐｒｔｒＨＰＴｏｄｔｎａｉｕｓｄｈｉｎｙｔｅｉｕｄｒｈｇｐｅｓｅａｄｈｇｍｅａｅ（Ｈ）ｃｎｉｏｓｓｄｓｓ．ｍｓｈｕｅｕｉｗｃｅ

高品级人造金刚石合成工艺特点的探讨

渐升高。在外加压力保持不变的条件下，温度升高意
味着工作点在相图上的位置发生漂移，着平行于横沿坐标的水平方向逐渐向右偏移。同时，考虑到因体积缩小引起的真实压力下降因素，工作点实际是向右下
关键词：造金刚石；长区间；成工艺人生合
中图分类号：Ｑｌ４Ｔ６
文献标识码：Ａ
文章编号：６３１３（０００－０２ —０１７ — ４３２１）２０５３
Ｄｉｃｓｉｎｏｙｈｓｓｐｒｃｓｈａａｔｒｓｉｓｏｇｕａｉｙｄｉｍｏｄｓｕｓｏｎｓｎｔｅｉｏｅｓｃｒｃｅｉｔｃｆｈｉｈｑｌｔａｎ
ＡｂｓｒｃＩｅｃｉｅｙｔｃｔａｔ：ｔｄｓｒｂｄｋｅｅｈｎｏｏｇｅｆｒｍａｃｎｇａｏｒｌｉｆｔｍｐｒｔｅａｄｌｉｓｏｔｈｉｎｄｃｎｔｏｌｎｇｏｅｅａｕｒｎ
此。
内容。本文从金刚石的生长区间、合成压力与温度的
控制等方面，阐述人造金刚石优质高产的关键技术。
１高品级金刚石的生长区间
在碳的ｐ一丁相图上，金刚石区）区高优、Ⅱ区（温区、晶区）中富、１区（１Ｉ低温区、晶区）（１。在Ｉ、劣图） Ⅱ、 Ⅲ区生长的
Ｋｅｗｏｄｓｎｈｅｉａｏｙｒｓ：ｙｔｔｃｄｉｍｎｄ；ｇｏｔｎｅｖｌｙｎｈｅｉｉｅｈｎｏｒｗｈｉｔｒａ；ｓｔｓｚｎｇｔｃｏｌｇｙ

CVD大颗粒金刚石单晶生长

优势： 1.禁带宽度：5.5eV 2.高介电常数：5.5 3. 高热导率：20W/cm.K P型半导体掺杂：B 气态掺杂乙硼烷（B2H6）常温下为易燃易爆的有毒气体。是目前广泛用于CVD生长工艺的掺杂气体。固态/液态掺杂硼粉末、氧化硼、硼酸三甲酯。常见引入方式为先加热或溶于一定的溶剂，再进行掺杂。硼元素的掺杂引入可以在一定程度上提高CVD生长速率并且控制表面形貌。
CVD金刚石晶种
一般CVD金刚石籽晶选择晶面取向为（100），不允许存在其他的取向。因为该晶面外延生长的质量最高，如使用（111）面，会产生大量多晶、层错和位错。影响最终产品的质量。近期有研究发现，略微偏离（100）晶面1°-3°会有助于表面平整的单晶外延，因为台阶生长是CVD金刚石单晶的外延的主要方式，适当的偏角有助于减少生长台阶的高度和形貌。这一技术被称为“Offangle growth”。
金刚石N型掺杂
N型半导体掺杂
N型掺杂一直是金刚石掺杂的难点，这个难点的攻克使用了约15年的时间。最终目标为：高掺杂原子浓度、浅施主杂质能级。氮掺杂：使得金刚石晶格中杂质能级位于导带底1.7eV深能级。磷掺杂：金刚石激活能高（10.4eV），掺杂后载流子浓度低，杂质能级位于导带底0.6eV。
电热丝材料：W, Ta, Re 热丝温度：2000℃ 晶种温度：700℃-1000℃ 反应腔体压力：10-100 torr (1torr≈133Pa) 反应腔体气氛：99%H2+1%CH4 反应速度：小于10 µm/hr
出自Matsumoto et al (1982)，是第一次报道CVD合成钻石的方法，不过很快就被更加稳定的设备和工艺取代。
钻石的加工
四个主要程序：
标记（设计标线或划线）分割（劈、锯或激光切割）成型（车钻）抛磨（磨钻）

高中金刚石知识点总结大全

高中金刚石知识点总结大全一、结构与晶体学知识1. 金刚石的结构金刚石是由碳原子通过共价键连接而成的晶体，其晶胞结构为面心立方晶体，每个碳原子都和四个相邻的碳原子形成共价键，构成坚硬而密实的晶体结构。

2. 金刚石的晶胞金刚石的晶胞是面心立方晶胞，每个晶胞内含有8个角位点和一个面心位点，共有八分之一个面心原子位于一个晶胞内，且每个碳原子占据一个角位点和一个面心位点，晶格常数为3.5671埃。

3. 金刚石的晶体生长金刚石是在地壳下40至100千米深处以每小时1至2千摄氏度的速度生长的，这种生长速度是其他任何材料无法比拟的。

金刚石的生长需要高压和高温，其晶体结构特殊，需要适合的环境来形成。

4. 金刚石的密度金刚石的密度大约为3.52克/立方厘米，是自然界中最硬的物质之一。

其硬度远远超过其他任何已知的天然或合成材料，因此被广泛用于切割、钻孔等领域。

二、金刚石的物理性质1. 金刚石的硬度金刚石是自然界中最硬的物质，其莫氏硬度为10，是刻画其他物质硬度的标准之一。

这种极高的硬度使金刚石成为理想的切割和磨削材料。

2. 金刚石的热导率金刚石具有极高的热导率，是已知最好的导热材料之一。

其热传导系数大约为1000-2200 W/(m*K)，远远超过铜和铝等金属，因此被广泛用于散热材料和热传导的领域。

3. 金刚石的光学性质金刚石具有出色的透明性和折射率，在光学领域有着重要的应用。

其在高频光区（红外-紫外）的折射率为2.4，远高于其他材料，因此被广泛用于光学器件的制造。

4. 金刚石的电学性质金刚石是优良的绝缘体，但在高温高压条件下也可表现出半导体特性。

因此，在电子领域也有着重要的应用。

三、金刚石的化学性质1. 金刚石的化学稳定性金刚石具有极高的化学稳定性，只有在高温高压下才会与氧气反应生成二氧化碳。

在常温下，金刚石几乎不与酸、碱等常见的化学物质发生反应。

2. 金刚石的氧化行为金刚石在高温高压下会发生氧化反应，生成二氧化碳。