立方氮化硼（cBN）是一種硬度僅次于金剛石的超硬材料,具備多種優(yōu)異的性能。作為重要的超硬半導(dǎo)體材料,cBN的單晶制備技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于金剛石,嚴(yán)重地阻礙了它在精密加工、第三代半導(dǎo)體、以及光譜器件上的應(yīng)用和發(fā)展。為此,發(fā)展立方氮化硼大單晶制備技術(shù)迫在眉睫,也是我國(guó)超硬刀具技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破的重要契機(jī)。因此,本項(xiàng)目擬發(fā)展立方氮化硼單晶的高溫高壓合成技術(shù),突破現(xiàn)有技術(shù)與原理的瓶頸,發(fā)展cBN單晶高壓合成方法與工藝,以制備出高品級(jí)大尺寸的cBN單晶體,為發(fā)展第三代半導(dǎo)體、光學(xué)器件和量子芯片等提供重要的材料載體。同時(shí),就摻硼金剛石加熱器的制備做了相應(yīng)的研究,以期制備出超高溫的摻硼金剛石加熱器,以突破Kawai型（6-8式二級(jí)加壓）高溫高壓裝置的溫度極限,為原位X射線觀察提供便利,也為高壓下材料的合成和研究提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持。本文依托于國(guó)產(chǎn)DS6×10 MN鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī),以hBN粉末作為主要原料,選取Mg₃N₂作為觸媒材料,進(jìn)行一系列合成cBN單晶的方法和工藝研究。主要研究?jī)?nèi)容為:cBN單晶的制備與提純;研究不同合成工藝參數(shù)對(duì)cBN晶體合成效果的影響以及采用新型... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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cBN晶體結(jié)構(gòu)示意圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-3-圖1-2cBN單晶多面體示意圖[12]1.3.2立方氮化硼的性能與應(yīng)用立方氮化硼（cBN）單晶的硬度僅次于金剛石；與金剛石相比具有好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；除此之外，cBN晶體還具有優(yōu)良的抗氧化性能和導(dǎo)熱性能等，因此其常被用為磨具和刀具材料，是切削加工、鉆探、磨削、銑削的利器。金剛石磨具在高溫下加工含鐵或鎳元素的材料時(shí)容易產(chǎn)生石墨化而失效，而cBN在高溫下較金剛石能夠保持足夠高的力學(xué)性能，且具有優(yōu)異的高溫紅硬性和抗氧化能力，在1100~1300℃下與鐵族元素不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此cBN作為磨具材料可以在苛刻的工作條件下磨削黑色金屬時(shí)可以表現(xiàn)出特殊的優(yōu)越性，大大提高工件的磨削質(zhì)量和加工效率，與金剛石相比cBN的金屬磨削率要高出10倍[19]。作為刀具材料使用，cBN單晶硬度為60GPa左右，是物質(zhì)世界里超硬的材料之一，僅次于金剛石（約為100GPa），且其熱穩(wěn)定性高達(dá)1250oC以上，對(duì)含鐵合金化學(xué)惰性大，抗黏結(jié)能力強(qiáng)，開(kāi)刃簡(jiǎn)單（用金剛石砂輪可磨削開(kāi)刃），故適用于加工洛氏硬度為35HRC以上的硬質(zhì)合金材料，包括各種淬硬鋼（如碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等）、冷硬鑄鐵、鈷基和鎳基高溫合金等高硬及耐磨材料，此外也可以用于加工鈦合金、純鎢和純鎳等材料，圖1-3為立方氮化硼（cBN）和金剛石刀具的主要加工范圍示意圖。大尺寸的cBN單晶可以做成單晶刀具，cBN單晶刀具內(nèi)部無(wú)晶界，刀具刃口理論上可以達(dá)到原子尺寸級(jí)別的平直度和鋒利度。因此，刀具的超光潔表面和無(wú)缺陷切削刃口可使加工對(duì)象的表面粗糙度達(dá)到原子級(jí)，從而來(lái)獲得鏡面加工效果。因此，cBN單晶刀具可廣泛應(yīng)用于精密或超精密機(jī)械加工領(lǐng)域，如原子核反應(yīng)堆及精密光學(xué)儀器的反射鏡、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)、導(dǎo)彈或太空飛行器的導(dǎo)航陀螺

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-4-用作高速磨削材料，其壽命長(zhǎng)，磨削效率高，可大大提升加工效率，降低加工成本。綜上，cBN必將大大促進(jìn)工業(yè)切削和磨削技術(shù)的發(fā)展[20]。圖1-3立方氮化硼（cBN）和金剛石刀具的主要加工范圍cBN與金剛石、SiC和GaN一起被稱為新型第三代半導(dǎo)體材料[21]，cBN和金剛石與另外兩種材料相比有著更為優(yōu)異的性質(zhì)，他們的帶隙更寬，介電常數(shù)較低，擊穿電場(chǎng)更高以及熱導(dǎo)率更好[22]。與金剛石不同的是，作為半導(dǎo)體材料，cBN容易實(shí)現(xiàn)n型和p型摻雜，它可以通過(guò)摻雜C、S、Si等得到n型半導(dǎo)體；通過(guò)摻雜Be得到p型半導(dǎo)體[23]。綜上，新型第三代半導(dǎo)體材料中性能最為優(yōu)異的為cBN，其不僅可用于制備極端條件下工作的電子器件，還被廣泛應(yīng)用于深紫外發(fā)光和探測(cè)器方面[24]。在光學(xué)應(yīng)用方面，cBN可以作為一些光學(xué)元件的保護(hù)層，因?yàn)槠湓谧贤獾竭h(yuǎn)紅外整個(gè)波段具有優(yōu)良的透過(guò)率；結(jié)合其良好的抗熱沖擊性能和硬度，cBN有望成為大功率激光器和探測(cè)器的理想窗口材料。單晶cBN做成的窗口可用于快速傅立葉變換紅外光譜分析，其耐酸、耐堿和耐溶劑，可擴(kuò)大分析樣品的種類，還可應(yīng)用于高壓設(shè)備的窗口，在百萬(wàn)大氣壓的范圍內(nèi)用于各種光譜的原位測(cè)量。在量子芯片應(yīng)用方面，隨著量子計(jì)算的興起，信息世界將迎來(lái)一場(chǎng)翻天覆地的革命，金剛石和立方氮化硼的色心將是量子計(jì)算的重要載體，即“量子芯片”的關(guān)鍵材料。立方氮化硼也可以形成類似金剛石的色心，但由于制備cBN單晶較為困難，關(guān)于它的色心研究還停留在理論計(jì)算階段，計(jì)算研究表明，它的色心是由一個(gè)O原子替一個(gè)N原子，并與相鄰B原子空位可形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，即ON-VB色心（圖1-4）。由于cBN具有更大的帶隙（6.4eV）[22]，漏電電流會(huì)更低，信噪比更高，因此，即使其在低功率下進(jìn)行量子運(yùn)算操作，?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3461908