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浅谈金刚石中的氮杂质e 130012吉林大学超硬材料国家重点实验室 臧传义 王琰弟 朱品文 望贤成 陈立学 贾晓鹏 邹广田 臧传义，男，博士研究生，从事宝石级金刚石的合成。 摘要氮作为金刚石中(包括天然金刚石和人工合成金刚石)最普遍的杂质，长期以来一直广受研究 者的关注，至今也是金刚石所有杂质(诸如氮、硼、镍、硅、钴等等)中研究的最广泛最彻底的一类。 本文概述了国内外在天然和人工合成金刚石(高温高压法)中有关氮杂质的主要研究进展，分几个 方面介绍了氮与金刚石颜色、氮在金刚石中的浓度确定(主要介绍红外吸收谱法)、不同晶面生长区内 氮含量存在的各向异性、以及氮对金刚石硬度、热导率的影响等。 关键词 氮金刚石 红外吸收触媒硬度热导率 l 咖百 氮杂质作为天然金刚石和人造金刚石中的最主要的缺陷，直接决定着金刚石所拥有的大多光学性 质，并对晶体本身的热学、电学和机械性质也有重要的影响，进而影响到金刚石在工业发展和高科技技 术中的潜在用途[卜3I。所以，对杂质氮在金刚石中性质的研究，长久以来广为人们关注，对其的研究 也比任何其他一种金刚石中的杂质缺陷要更为深入。 五十多年来，随着同步辐射等测量技术的迅速发展，国内外有关氮杂质的研究工作也有了长足的进 步。笔者在此愿意把目前有关杂质氮的主要研究成果和技术介绍给国内的同仁，期望能够对推动中国金 刚石生产技术水平的提高有所帮助。 2氮与金刚石颜色 理想的纯金刚石应该是无色透明的，但日常见到的金刚石却色彩多样，这其中氮作为金刚石中最主 要的杂质作用最为巨大。因此要讨论金刚石颜色，首先必须讨论为什么氮会进入金刚石晶格，它以什么 方式存在于晶格之中。 2．1杂质氮的来源 氮作为地球最主要的元素之一，自然会对金刚石的形成有一定的影响。天然金刚石的形成过程极为 复杂，甚至存在颇多争议，但是否能在排除氮的真空环境下合成似乎也很难。所以天然金刚石中含极少 氮的IIa型金刚石也很少，大部分是杂质氮含量很高的Ia型金刚石。 而高温高压法合成金刚石工艺过程也会令我们很难完全消除氮。腔体间隙中空气会带来部分氮，这 部分我们在真空环境下组装，可能会抑制氮的进入。但这一尝试曾有人做过，对金刚石合成无甚裨益。 因为我们所用的原材料，主要是碳源和触媒中都含有一定量的氮。 2．2氮与金刚石分类 氮和硼)，再就是杂质在金刚石中的存在状态(主要指氮)[1]。表1给出了金刚石的分类及某些性 质。 o国家自然科学基金项目教育部高等学校骨干教师资助计划项目。 J02 第四届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集 Ia型金刚石：氮以聚集状态存在。若金刚石中的氮杂质主要以替代式原子对存在(A心)，即为 98％。 Ib型：氮的存在形式是单一替代原子(C心)。人工合成的金刚石主要是Ib型。 IIa型：无氮 表1金刚石的分类及其性质 IIb型：含硼 I型金刚石 Ⅱ型金刚石 2．3氮与金刚石颜色 Ia Ib lla IIb 自然界中的含量 ～98％ ～0．1％ 1％～2％ ≈O％ 由于氮作为金刚石中的最主要杂 合成金刚石 微粉 单晶 单晶 质，在金刚石中形成各种色心，因此 氮 ～2×103 102——1031——102 ～1 ～1 氮对金刚石的颜色影响很大。一般说 ／ppm 聚集态 弥散态 高纯 杂质 来，人工合成的Ib型金刚石多是黄色 其他杂质 金属包络体 硼～100