高温高压法生长金刚石单晶.ppt

高温高压法生长金刚石单晶 张恒、王磊钻石“Diamond” 来源于古希腊语“Adamas”， 意为“不可征服”。 高温高压法 高温超高压法合成宝石是指利用高温超高压设备，使粉末样品在高温超高压条件下，产生相变、熔融进而结晶生长合成宝石的方法。 高温超高压：指温度＞500℃ 压力＞1.0×109Pa 条件的获得：静压法（油压机）；动力法（爆炸法或核爆炸）。 钻石的合成原理 碳的同质多像变体钻石和石墨由相图可知：常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，而钻石处亚稳定态。破坏钻石的C-C键需要很高能量，因此，钻石在常温常压下不会自动转变为石墨。高温高压下钻石是稳定的，而石墨中的碳原子会重新排列形成钻石。 晶种触媒法合成金刚石的原理 以石墨、金刚石粉或石墨-金刚石粉的混合物为碳源，在一定温度梯度下，将熔化于触媒金属（铁镍）中的碳输送到高压反应腔金刚石晶种上，碳从六方结构的石墨转变为立方结构金刚石，并以晶层形式沉积于晶种上，从而进行金刚石单晶体的生长。 无触媒的条件——转变条件：1.26×1010Pa和2700℃，制造生产设 备相当难；石墨向金刚石转变的接触面小，转化率低。 有触媒的条件——使转变温度和压力降低，如镍等，转变条件： 4.0×109～1.0×1010pa和1200℃左右； 熔融的触媒增大与石墨的接触面，出现大面积转变 周期表第八族许多元素均可用作触媒，如镍（3d84S2 ）缺d电子，能吸引石墨层中相对应的2S22P2电子，使其集中到垂直方向而成键，故促使石墨层扭曲变成金刚石结构。 金属触媒在合成金刚石时起着溶剂和催化剂的作用。它既能溶解碳又能激发石墨向金刚石转变，起到了催化作用。 从化学动力学角度，高温超高压条件下石墨向金刚石的转化过程可分为三个阶段： （1）熔触金属和石墨互相渗透、扩散和溶解，形成了类似石墨结构的富碳扩散层； （2）石墨逐渐向熔融金属内扩散，由于过渡金属的d电子与碳原子的p电子间的相互作用，使碳原子从SP2型转变为SP3杂化型状态，进而形成金刚石结晶基元。金属溶液起媒介作用，把金刚石结晶基元输送至生长晶面附近； （3）聚集在生长晶面附近的金刚石结晶基元在晶面上叠合，进入晶格位，使金刚石晶体生长。 晶种触媒法合成金刚石的设备 油压机：种类繁多，结构形式多样；是静态超高压设备的核心部分，作用是将液压机的驱动力变成对高压腔中被压物质的静态超高压。 高压容器：宝石合成的场所， 要求材质能承受压强＞4.9×109Pa，良好的密封、保压、隔热、绝缘性能，提供较大的合成腔体及均压区域。 加热系统：石墨加热器，稳定性好，精确控压控温提高合成效果。 晶种触媒法合成金刚石的工艺 腔体中部（热区）放置高纯度的石墨碳源，用镍铁（1：1）合金为触媒，金刚石晶种安放在下端冷区，使{100}（接种面）面对着金属触媒。 温压条件：最高达5.5×109Pa左右，1900-1400℃。 原料区石墨溶解于触媒中，开始向金刚石转变。 在温度梯度（30～50℃）下，热区中的碳向晶种方向扩散（由于高温端的金刚石溶解度大于低温端的溶解度，由温度差所产生的溶解度差则成为碳素由高温端向低温端扩散的驱动力）部分碳便沉积在晶体上，从而使晶体长大。 控制腔内温度，反应腔高温区约1450℃ ，温度差30～50℃，实际温度随加热功率和散热条件而变，实验用压力控制在6.0×109Pa左右，生长时间为22～52小时。 合成金刚石的后处理 合成金刚石是通过触媒的作用，在高温超高压条件下由石墨转变而成，反应后产物除金刚石外，还有石墨、金属（或合金）及其化合物，还混有传压介质叶蜡石。它们紧密交混，把金刚石严实包裹。要获得纯净的金刚石，须清除杂质，即分离处理。 金刚石稳定性高，不与酸、碱、强氧化剂反应，不电解；石墨化学稳定性较金刚石弱，易被强氧化剂氧化；金属或合金易与酸反应，易电解；叶蜡石能与碱反应。根据这些特点进行分离。 除金属（或合金） （1）硝酸浸泡法 将合成的混合体砸碎，浸泡在30%的稀硝酸溶液中。几天后金属或合金就自然被腐蚀掉。例如触媒中的金属镍与硝酸反应，生成硝酸盐而进入溶液： Ni＋2HNO3→Ni（NO3）2＋H2↑ （2）王水处理法 王水是按盐酸：硝酸=3：1的体积比配置成。将合成后的混合体与王水一起装在烧杯或耐酸容器中加热，在较短时间内，可把包裹金刚石的金属或合金全部溶解掉，成为盐类沉淀，其反应如下 3Ni＋2HNO3＋6HCI→3NiC12＋2NO＋+4H2O Fe＋HNO3＋3HC1→FeC13＋NO＋2H2O （3）电解法 电解条件为NiSO4等溶液，反应使阳极处的Ni经电解溶液跑到阴极，使金属或合金不断地从合成物的混合体中解离出来。反应原理为： 消除