高溫高壓生長寶石級金剛石單晶的表面特征研究

1、第38卷第3期人工晶體學報Vol .38No .32009年6月JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS June,2009高溫高壓生長寶石級金剛石單晶的表面特征研究臧傳義1,陳奎1,胡強1,黃國鋒2,陳孝洲1,賈曉鵬2(1.河南理工大學材料學院,焦作454000;2.吉林大學超硬材料國家重點實驗室,長春130012摘要:本文利用高溫高壓溫度梯度法,N i M nCo 合金作為觸媒,分別采用籽晶100和111作為生長面,合成了I b 型寶石級金剛石單晶,對其表面特征進行了分析和討論。結(jié)果發(fā)現(xiàn),寶石級金剛石單晶的表面特征不具有唯一性,多數(shù)情況下,晶體111面明顯較100面

2、平整,而且100面生長臺階的棱角不清晰,經(jīng)常會出現(xiàn)經(jīng)觸媒融融過的痕跡,并且這種現(xiàn)象的出現(xiàn)跟籽晶生長面不同和合成溫度條件高低無關(guān);111面有時也會出現(xiàn)明顯的生長臺階,棱角清晰,并且形狀較為規(guī)則。寶石級金剛石晶體表面特征的不唯一性說明晶體表面特征對生長條件穩(wěn)定性有更高的要求。關(guān)鍵詞:表面特征;寶石級金剛石;溫度梯度法;高溫高壓中圖分類號:T Q164文獻標識碼:A 文章編號:10002985X (20090320677204收稿日期:2008205206;修訂日期:2008207216基金項目:國家自然科學基金(No .50572032;河南省教育廳自然科學研究計劃項目(No .2009A4300

3、14;吉林大學超硬材料國家重點實驗室開放課題(No .200801作者簡介:臧傳義(19762,男,山東省人,副教授。E 2mail:dndzcysina .comStudy on Surface Characters of Ge m D i a m ondCryst a ls Grown by HPHTZAN G Chuan 2yi 1,CHEN Kui 1,HU Q iang 1,HUAN G Guo 2feng 2,CHEN X iao 2zhou 1,J I A X iao 2peng 2(1.School of Materials Science and Engineering,He

4、nan Polytechnic University,J iaozuo 454000,China;2.Key Laborat ory for Superhard Materials,J ilin University,Changchun 130012,China (R eceived 6M ay 2008,accepted 16July 2008Abstract:I b ge m dia mond crystals we we synthesized by te mperature gradient method (TG M under high te mperature and high p

5、 ressure (HPHT ,with N i M nCo all oy as s olvent metal,100and 111surfaces as the gr o wth facets,the surface characters of the sa mp les were discussed and analyzed in this paper .It is f ound that,the surface characters are not exclusive;Generally,111surfaces are more s mooth than 100surfaces,and

6、100surfaces often show not 2shar p step s melted by s olvent all oy,regardless of the different gr owth facets of seed crystal and synthesizing te mperature;Someti m es,shar p step s of regular mor phol ogy could occur on 111surfaces .So it is concluded that the certain surface characters are relati

7、ve t o a more 2steady gr owth envir on ment .Key words:surface character;ge m dia mond;te mperature gradient method;HPHT1引言由于高溫高壓合成金剛石晶體的特殊性,晶體的表面微觀形貌可以從側(cè)面幫助理解高溫高壓下晶體生678人工晶體學報第38卷長過程。無論是磨料級還是寶石級金剛石單晶,最經(jīng)常出現(xiàn)的表面特征包括枝狀和脈絡(luò)狀生長條紋、螺旋式生長臺階、生長凸起等,還有光學上平整的生長面1,2。Kanda 在早期研究工作1中,利用N i 、N i 2Fe 合金、Fe作為觸媒,對溫度梯度法

8、生長的寶石級金剛石單晶進行了表面特征觀察,同樣發(fā)現(xiàn)了枝狀和脈絡(luò)狀紋路,并且這些紋路同冷卻后的觸媒紋理接近。因此,他認為晶體表面紋理的形成是在冷卻過程中碳原子在金屬觸媒紋理間沉積造成的。在一定程度上,這些結(jié)論可能是正確的,但有些宏觀表面現(xiàn)象卻無法用它來解釋,例如不同生長面表面特征之間的差異、同一生長面上表面特征不同等。通常高溫高壓靜壓觸媒法得到的金剛石單晶為六2八面體形貌,主要由較為發(fā)達的100和111組成,而110和113面很少出現(xiàn)或者出現(xiàn)時也很小325。因此,本研究主要針對N i M nCo 合金觸媒生長的優(yōu)質(zhì)I b 型寶石級金剛石單晶的100和111面的表面特征進行研究,對一些特殊的表面現(xiàn)

9、象進行了分析和討論。2實驗高壓高溫設(shè)備采用國產(chǎn)S DP61200型六面頂壓機, 溫度梯度法生長寶石級金剛石單晶的典型組裝示圖1溫度梯度法組裝示意圖Fig .1A sse mbly sche matic diagra m ofte mperature gradient method意圖如圖1。碳源為人造高純石墨,置于腔體高溫端;籽晶為粒度0.8mm 的高品級六2八面體單晶,機械鑲嵌在晶床上,籽晶100面或者111用作晶體生長面;高純N i M nCo 合金觸媒(70255wt%置于碳源和籽晶之間。合成條件:壓力控制在5.5GPa,溫度12001300,合成速度約控制在1.0mg /h 。除了合成

10、溫度條件有差異外,所有寶石級金剛石單晶的合成環(huán)境均保持一致。寶石級金剛石單晶的表面特征利用I nvia Ra man M icr oscope of Renisha w Cor p.來分析 。圖2低溫區(qū)生長的金剛石形貌及表面特征圖Fig .2Mor phol oy and surface characters of ge m dia mond crystals gr own at l ower te mperaturesa:crystal gr own with 100surface of seed crystal;b:crystal gr own with 111surface of see

11、d crystal;c:surface character of 100surface as shown in a;d:surface character of 100surface as shown in b;e:surface character of 111surface as shown in b第3期臧傳義等:寶石級金剛石單晶的表面特征研究679 3結(jié)果與討論由于采用的N i M nCo合金觸媒中沒有添加其它微量元素,如B、A l、Ti等628,無論采用籽晶100還是111生長面,合成的晶體均為優(yōu)質(zhì)黃色I b型寶石級金剛石單晶,主要由發(fā)育完整的100或者111組成。首先對壓力5.5G

12、Pa、溫度1220生長的晶體進行了表面特征觀察,如圖2所示。晶體由于處在V型區(qū)低溫區(qū)生長,100面發(fā)育更充分。同樣是100面,用籽晶100面生長出來的晶體100面的表面與用籽晶111面生長出的晶體表面略有不同,如圖2c、2d。用100面生長出的晶體100表面有明顯的生長凸起,而用111面生長出的晶體100表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的凸起,反而存在少許生長凹坑。但從表面來看, 100表面生長凸起或者凹坑棱角均不清晰,有被金屬觸媒融過的痕跡。對晶體生長來說,晶體析出和溶解是個相對的過程,晶體棱角處更容易被觸媒融蝕,所以導(dǎo)致晶體表面有鈍化的特征。對用籽晶111面生長出的晶體111面來看,表面則顯得平整得多,在

13、同一尺度下,不存在明顯的生長凸起。在V型區(qū)的偏高溫區(qū)域,晶體形貌會發(fā)生明顯變化,111面將成為主要生長面。壓力5.5GPa、溫度1280生長的晶體如圖3所示。無論采用籽晶100或者111面,由于處于高溫區(qū)生長,111發(fā)育相對更充分。從高溫區(qū)用籽晶100面生長的晶體100面表面特征來說,如圖3d,跟低溫區(qū)用100面生長的晶體100面表面特征極為類似,表面有明顯的生長凸起,同樣存在被觸媒融過的痕跡。此外,表面當中的大凹坑為生長速度過快形成的,對高溫區(qū)生長晶體來說,要得到優(yōu)質(zhì)晶體,生長速度要求控制的稍低一些9。對高溫區(qū)生長的晶體111面來說,如圖3c、3e,不管采用籽晶100或者111面,晶體表面均

14、顯得較為平整,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的生長凸起和凹坑。 圖3高溫區(qū)生長的金剛石形貌及表面特征圖Fig.3Mor phol oy and surface characters of ge m dia mond crystals gr own at higher te mperatures a:crystal gr own with100surface of seed crystal;b:crystal gr own with111surface of seed crystal;c:surface character of111surface as shown in a;d:surface characte

15、r of100surface as shown in ae:surface character of111surface as shown in b綜合高低溫晶體表面情況來看,無論采用籽晶111面或者100面來生長晶體,晶體111面通常要比100面平整的多,100面表面會有明顯的生長凸起存在,且棱角不清晰,似有被觸媒融過的痕跡。然而即使合成條件保持一致,或者說從設(shè)備電控控制精度來看,條件是一致的情況下,晶體的表面特征也不是完全一致,有些時候會出現(xiàn)不同的特征,如圖4所示。圖4a為偶然出現(xiàn)的100面的表面特征,籽晶生長面為100面,可以看出與圖2c和圖3d略有不同,但存在更明顯的脈絡(luò)狀的生長凸起,

16、棱角不清晰,似有跟觸媒作用的痕跡。圖4b是用籽晶111面生長出的晶體111面的表面特征圖,可以清楚看到具有規(guī)則三角形狀的生長臺階,與圖3c、3e和圖2e相比,在同一尺度上,不再是平整光滑的表面;盡管同樣存在生長臺階,但臺階棱角清晰銳利,與100面明顯不同。 圖4a:晶體100面上的其它表面特征;b:晶體111面上的其它表面特征Fig.4a:O ther surface characters of100surface;b:O ther surface characters of111surface從棱角是否清晰和銳利來看,111面要比100面更加穩(wěn)定一些,這可能與表面原子狀態(tài)有關(guān)2。對111表面

17、原子來說,只有一個懸鍵,而100表面原子卻有兩個懸鍵,從原子間相互作用來說,100表面原子更容易與外界原子發(fā)生相互作用,所以說不如111表面原子穩(wěn)定。而從合成條件來說,即使壓力和溫度可以控制一致,晶體表面特征還是存在較大差異,說明晶體表面特征或許需要有更高穩(wěn)定性的生長條件。Kanda認為1,晶體表面特征是合成觸媒在冷凝過程中碳原子在金屬觸媒紋理間沉積造成的?？蓮木w表面特征來看(如圖4所示,晶體規(guī)則的表面特征不應(yīng)該是在觸媒冷凝過程中形成的,更像是在晶體生長過程中產(chǎn)生的生長臺階。再有,晶體表面特征具有不唯一性,盡管所用觸媒一致,說明晶體表面特征或許跟觸媒存在一定的對應(yīng)關(guān)系,但并不是絕對的對應(yīng)關(guān)系

18、,其它因素例如生長速度、表明原子結(jié)構(gòu)、及生長條件穩(wěn)定性與否同樣會有明顯的影響效果,由于生長過程是在不可見條件進行的,所以影響機理相對較為復(fù)雜,所以更深層次的機理我們會在后續(xù)工作中進一步探討。4結(jié)論對高溫高壓溫度梯度法生長的寶石級金剛石單晶進行表面特征分析,得出如下結(jié)論:(1晶體表面特征不具有唯一性,多數(shù)情況下,晶體111面明顯較100面平整,并且這種現(xiàn)象的出現(xiàn)跟籽晶生長面不同和合成溫度高低無關(guān);(2111面有時也會出現(xiàn)明顯的生長臺階,棱角清晰,這與100表面生長臺階棱角模糊有明顯不同;(3晶體表面特征與晶體表面原子狀態(tài)或者生長條件穩(wěn)定性有一定關(guān)系。參考文獻1Kanda H,AkaishiM,S

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