國外高壓設備已可以實現(xiàn)在壓力約 13 GPa、溫度接近 3000 K 條件下石墨向金剛石的直接轉(zhuǎn)化[57, 58]，由于在相變的過程中速度的難控性，所以該方法不利于生長金剛石大單晶。因此，我們面臨兩個關鍵的問題：一是碳素的穩(wěn)定輸運怎樣實現(xiàn)；二是晶體生長過程（例如生長速度，內(nèi)部包裹體雜質(zhì)缺陷以及晶體形貌等方面）的合理控制怎樣實現(xiàn)。隨著早期 GE 公司開發(fā)的溫度梯度法的出現(xiàn)使這兩個關鍵的問題迎刃而解，后期眾多的合成大尺寸金剛石的實驗結果進一步表明溫度梯度法是迄今為止合成尺寸 1 mm 以上大單晶最有效的方法[59, 60]。圖 1.15 給出了溫差法（即溫度梯度差法）生長大單晶的示意圖。高壓腔中放入整個的組裝塊，組裝塊的高溫端和低溫端分別放置的是碳源和籽晶，此時在碳源與籽晶之間會形成一個溫度差；由于溫度不同造成碳在觸媒溶劑中不同位置的溶解度不同，從而構成了一個濃度的梯度，促使碳擴散下來后不經(jīng)成核即可在籽晶面上接以金剛石形式析出。

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第二章 高壓設備、輔助材料、合成組裝及溫度壓力標定

2.1 引言

大尺寸金剛石的合成是一個非常復雜的過程，生長的晶體尺寸越大需要的合成時間就越長，在這長時間的生長過程中任何時刻出現(xiàn)生長條件的變動都將會直接影響到晶體的質(zhì)量。所以要求我們使用的高壓設備必須可以提供足夠高的穩(wěn)定性，滿足壓力、溫度的恒定。同時組裝塊體內(nèi)部的原材料對晶體的生長條件有直接影響，因而合成組裝、內(nèi)部材料等方面的選擇將直接影響到是否為大尺寸金剛石單晶的生長創(chuàng)造一個非常適宜的生長環(huán)境。所以組裝部件材料的選擇非常重要，必須滿足在高溫高壓條件下的性質(zhì)穩(wěn)定，才能組建一個穩(wěn)定的合成組裝。為此本章對國際上現(xiàn)有的主流高壓設備和我國用于金剛石等功能材料合成的六面頂高壓設備，以及六面頂高壓設備的壓力和溫度的產(chǎn)生原理、實驗相關的輔助材料選取、穩(wěn)定組裝的確定、實驗組裝的標溫標壓等方面予以簡單的介紹。

2.2 高溫高壓設備簡介

我們使用國產(chǎn) SPD-6×1200MN 型六面頂液壓機設備進行大尺寸金剛石的合成實驗。國產(chǎn)六面頂壓機通過超高壓泵往油路中打油來推動頂砧運動，三對頂砧在施加壓時比較均勻，可以予以施壓和保壓，并且在其壓力容限內(nèi)，施加的壓力可以調(diào)整。圖 2.3 對壓機的主機、存放組裝塊體的壓腔和直接擠壓組裝而產(chǎn)生壓強的頂錘進行簡單介紹。

第三章 氫摻雜 Ib 型大尺寸金剛石單晶的合成與表征......................33 

第四章 氫摻雜高氮型大尺寸金剛石單晶的合成與表征...................35 
第五章 氫摻雜 IIa 型大尺寸金剛石單晶的合成與表征.....................37
 第六章 高溫高壓退火制備氫摻雜 Ia 型大尺寸金剛石單晶..............39

第七章 氫、氧協(xié)同摻雜大尺寸金剛石單晶的合成與表征

在任何一個高溫高壓的實驗中，準確的得到壓力和溫度的實際數(shù)值會對我們的實驗研究起到極為重要的作用。但遺憾的現(xiàn)有的技術手段很難做到在高溫高壓實驗中對壓力和溫度的原位測量，為此我們只能進行間接的標定。我們采用間接測量壓力原理，選取已知相變點的物質(zhì)將其組裝到合成的腔體內(nèi)，依此作為高壓下壓力的定標點。表中列出了常用的幾種物質(zhì)和這些物質(zhì)在相變時所對應的壓力點。根據(jù)物質(zhì)在高壓下發(fā)生相變時會導致電阻值的突變這一現(xiàn)象，可對六面頂壓機的油壓與腔體內(nèi)部的實際壓力之間的對應關系進行標定。

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第八章 結論與展望

8.1 結 論

本文在國產(chǎn)六面頂液壓機上，采用溫度梯度法進行新型氫摻雜大尺寸金剛石單晶的合成研究。通過在高壓合成體系內(nèi)添加含氫化合物（Fe(C5H5)2），含氫、氮化合物（C3N6H6），除氮劑（Ti），含氫、氧化合物（C6H8O7）等含氫添加劑系統(tǒng)的研究了多種新型氫摻雜金剛石單晶的合成，同時對氫摻雜高氮型金剛石單晶進行退火處理，探究氫及其它協(xié)同元素間的相互作用�，F(xiàn)將本文主要內(nèi)容及創(chuàng)新性成果總結如下：1. 通過添加 Fe(C5H5)2沿籽晶{100}和{111}晶面生長晶體，發(fā)現(xiàn)氫的存在更易使{100}晶面出現(xiàn)缺陷和連晶現(xiàn)象，通過引入表面懸鍵模型予以解釋；高溫條件是生長優(yōu)質(zhì)氫摻雜 Ib 型大尺寸金剛石的關鍵因素；成功合成出尺寸在 3.5 mm的氫摻雜 Ib 型大尺寸金剛石單晶。

8.2 展 望

雖然本文通過添加含氫添加劑對氫摻雜大尺寸金剛石單晶的生長進行了系統(tǒng)的研究，并取得了一定的進展。但只是在探索天然金剛石形成奧秘的征途中邁出的一小步，還存在著許多未完善的地方和一些需要去開創(chuàng)探索的重要方向�？偨Y為以下幾點：1. 氫協(xié)同下可控氮含量大尺寸金剛石單晶的合成，為以后的工作者提供一個思路，即：多元素摻雜下對某一特定元素實現(xiàn)可控調(diào)節(jié)。通過體系內(nèi)元素的可控調(diào)節(jié)將會為解決 n 型金剛石半導體這一世界級難題提供方法。2. 硫化氫在高壓下表現(xiàn)出的超導性已被證實，因而硫、氫共摻雜對金剛石導電特性的影響研究將會是一個很有價值的探索。3. 如何實現(xiàn)氫元素的可控摻雜是一個仍然需要探索并解決的問題，即探索一種可以對腔體內(nèi)氫元素實現(xiàn)可控的添加劑，，這對將來無論是氮氫、硼氫還是硫氫等不同類型的共摻雜金剛石都會有重要意義。4. 相對于天然金剛石復雜的生長環(huán)境，人工合成金剛石的生長環(huán)境比較簡單，所以進一步對更加復雜的多種微量元素共存環(huán)境下生長金剛石的探索將會為直接合成出“類天然”金剛石提供可行性。

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參考文獻（略）

本文編號：150079