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　　目前，我国人造金刚石的生产工艺水平与国外发达国家相比横很落后，某些优质品种仍难合成。低品级金刚石泛滥，而高品级金刚石供不应求的矛盾将表现得越来越突出。根据有关资料表明，我国每年进口的特种高品级金刚石呈逐年上升的趋势。因此，如何促进我国人造金刚石行业向高水平、多元化、优质、高效的方向发展已成为当务之急。若干年来，我国的生产厂家及科研机构在金刚石合成方面的研究力度也在逐渐加大，并取得了一些可喜成果，但这些成果在高品质金刚石合成方面的应用成效并不大。本人从晶体生长的最基本规律出发，提出一些新的观点，希望在高品质金刚石的合成方面给人有所启发。

　　１金刚石的晶体结构特征

　　金刚石晶体为等轴晶系，晶体结构特征表现于碳原子位于立方晶胞的八个角顶和六个面的中心，为立方面心格子构造，并在其八个小立方格的半数中心相间地分布着四个碳原子，每个碳原子都与周围四个碳原子相连接。并且每两个相邻碳原子之间的距离相等，为1.54埃。金刚石结构中的碳原子之间形成四个共价键，键角为109°28′16″，如图1所示：

图1   金刚石晶体结构图

Fig1 Configuration of diamond crystal

　　金刚石根据其成分和发光性、导热性等物理性质的不同，分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型金刚石成分中含氮，氮形成极细的聚氰C3N分散于金刚石的晶体结构中，该种金刚石导热性较低，在紫外光照射后发淡紫色磷光等。Ⅱ型金刚石不含氮，导热性高，对紫外线呈透明，不发光。目前国内生产的金刚石基本上为Ⅰ型。Ⅱ型金刚石由于具有较理想的物理性质而体现出更高的经济价值。

　　２金刚石晶体生长的一般规律

　　金刚石生长的过程是一个相当复杂的过程，但它首先必须遵守晶体生长的一般规律。它的一般生长过程是：在高温高压条件下，碳原子获得充足的能量挣脱原来的原子团而成为自由原子，这一过程称为碳原子的活化。活化的碳原子达到一定的浓度时，在适宜条件下相互结合形成金刚石晶核，在晶核的基础上由内向外一层原子面一层原子面的向外生长推移，晶核慢慢长大而成为晶体。当生长停止时，其最外层的原子面便表现出实际的晶面，每两个相邻原子面相交的公共原子列即表现为实际的晶棱，整个晶体则为晶面所包围而形成占有一定空间的封闭几何多面体——结晶多面体，从而表现出晶体的自范性。因而，晶体的自范性较好即晶形较好，晶体的内部结构就有规律，其物理性质（如：高强、高导热性等）才得以正常表现。

　　总之，晶体的生长必须经过成核作用，并遵照层生长理论、螺旋生长理论、甚至再结晶作用逐渐生长，它的生长必须遵照布拉维法则、居里-吴里弗原理、PBC理论等规律。在充分遵守这些规律的基础上，如何才能获得晶形好、内部结构规律、自范性好的金刚石晶体？一般而言，晶体的生长速度越快，越不利于杂质的派出，也不利于碳原子堆积生长时的充分取向。因而，在遵守基本规律的同时，如何控制生长速度，是获得优质金刚石的最根本保证。

　　３影响金刚石晶体生长速度的主要因素

　　金刚石晶体的生长速度取决于以下几个方面：内因上与碳原子的活化速度和碳原子的活化浓度的大小、活化的碳原子相互结合堆积成金刚石晶核或晶体的速度的大小（堆积速度）、已堆积成金刚石晶核或晶体的碳原子挣脱了晶体内其他碳原子的束缚而重新变成活化碳原子的速度的大小（熔蚀速度）有关。在晶体内部结构有缺陷或含杂质的地方内势能微弱，极易发生熔蚀现象。因而，晶体熔蚀的结果是去劣存优，使晶体结后更加完整。

　　外因上与温度、压力、环境中有害杂质的浓度、以及媒介物质的有无等有关。内因决定外因，外因通过内因而起作用。

　　温度不变的情况下，组分浓度越高，晶体的原子堆积速度越快，其生长速度也越快。对于金刚石而言，它的生长速度与活化的碳原子的浓度具有极其密切的联系，活化的速度越快，活化的碳原子浓度也越高，金刚石的生长速度也越快。

　　碳原子的活化需要能量，在一定的温度范围内，升高温度，可以提高活化速度，同时活化碳原子浓度也大大提高。因而，适当升高合成温度，可以加快金刚石晶体的碳原子的堆积速度。但是，温度的升高，也加剧了晶体内碳原子的动能，使得晶体内碳原子挣脱相互间的键力而重新回到活化原子状态，即：温度升高，可以增大金刚石晶体的熔蚀速度。碳原子的堆积速度与熔蚀速度之差即为晶体真正的生长速度。堆积速度大于熔蚀速度，晶体处于生长状态；堆积速度小于熔蚀速度，晶体就会停止生长，甚至负生长（已长成的晶体由于熔蚀速度比堆积速度快而缩小）；当二者相等时，即碳原子的堆积速度和熔蚀速度相等，晶体处于动态平衡状态。动态平衡有利于晶体排除杂质，使金刚石晶体内部结构更加完整，有利于优质晶体的形成。

　　压力的大小可以改变原子的内势能，从而影响碳原子的活化能、堆积速度、熔蚀速度。在温度不变的情况下，增大压力，也增加了碳原子的内势能，使碳原子间的引力增大，不易与活化，既可以降低活化速度。压力的增大，同时也增大了活化原子的势能，使活化的碳原子易于结合，即增大压力可以增大碳原子堆积金刚石晶体的速度。同时，金刚石晶体的碳原子也不易重新转化为活化原子。总的来说，在一定范围内增大压力，即是增大了晶体的生长速度。

　　媒介物质的有无对金刚石的生长至关重要，它起到了降低生长条件的作用。好的媒介物质有着与金刚石晶体极其相似的微观结构，在高温高压条件下，熔融的触媒微粒作为晶核吸引活化的碳原子按照其自身的结构附着其上而生长，因此，触媒结构的好坏，直接影响产品的质量。在没有触媒时，活化的碳原子在正常情况下其内势能非常小，吸引力也非常弱，形成晶核异常困难，若要形成晶核，就需要更高的压力和温度条件。就目前的普通生产设备而言，还难以实现。因而，工业生产金刚石必须有触媒的存在。

　　4 生长速度的分区及分析

　　根据生长速度与堆积速度、熔蚀速度及活化速度的关系，得到一定压力条件下速度V与温度T的变化曲线示意图（图2），根据曲线特性与晶体的关系分六个区。

图2 速度-温度曲线示意图

Fig.2 Diagram of Speed-temperature Curve

　　Ⅰ区：环境温度较低，活化速度较小，因而活化的碳原子浓度也较小，堆积速度也较小，熔蚀速度就更小，二者相互作用的结果是金刚石的生长速度很小。在一般合成条件下，其产品特点为：产品晶形较好，透明度不高，具有一定的杂质含量，粒度很细，强度很低。

　　Ⅱ区：环境温度有所提高，活化速度增大很快，堆积速度增长也较快，熔蚀速度增长缓慢，因而晶体增展速度有所增大，在正常同等合成条件下，其产品特点为：产品晶形较完整，标准晶形为六面体，透明度较高，有一定的杂质含量，粒度适中，强度稍高。

　　Ⅲ区：环境温度进一步提高，活化迅速，速度基本达到最大，堆积速度也增长很快，熔蚀速度由于温度不太高仍保持较低水平，因而晶体生长速度很快。由于碳原子堆积很快，晶体结构极易产生缺陷，而一些杂质也极易被快速的堆积的碳原子包围固定在晶体内部。其产品特点是：晶形较差，标准晶形为六面体，杂质含量较高，透明度较差，粒度较大，强度较低。

　　Ⅳ区：温度进一步升高，活化速率有所下降，但活化碳原子浓度仍缓慢增大，堆积速度保持较高水平并缓慢增大，而熔蚀速度迅速增大，并达到相当水平但仍低于堆积速度。这时碳原子堆积迅速，熔蚀也非常快，晶体结构产生的缺损及杂质由于熔蚀速度的加快而大部分被熔蚀掉。产品结构特点是：晶形较好，标准晶形为六面体及六-八面体，透明度较高，杂质含量不高，粒度基本适中，强度较高。

　　Ⅴ区：温度更进一步增高，活化速度已经很低，甚至近于零，活化原子浓度达到最大，堆积速度同时也达到最大，熔蚀速度进一步增大，直至与堆积速度相当，这时晶体生长速度较慢。碳原子迅速堆积而产生的结构缺陷及所含杂质，由于熔蚀速度加大而基本全部熔蚀掉，形成内部结构完整、杂质含量很低的优质晶体。产品结构特点为：晶形完好，标准晶体为多面体，透明度很好，杂质含量很低，粒度适中，具有良好的强度，部分晶体可见熔蚀现象。

　　Ⅵ区：温度更高，这时碳原子基本全部成为活化原子，活化速度基本为零，堆积速度逐渐变小，熔蚀速度逐渐增大，且大于堆积速度，这时刚堆积的碳原子又马上被熔蚀掉，因而该区不能形成晶体。若整个合成过程跨越两个区，在Ⅴ区时间较长，Ⅵ区时间较短时，仍能获得优质的产品，则是大部分晶体可见熔蚀现象。

　　5结论

　　由以上分析可知，随着合成温度的升高，金刚石晶体的晶形由六面体逐渐过渡到六-八面体，晶体的对称程度逐渐增强，强度大幅度提高。通过比较可知，只有Ⅱ、Ⅴ两个区生长速度适当，能生成晶形较好的晶体，尤以Ⅴ区最为重要，能生成品质优良的金刚石产品。目前，我国绝大部分生产厂家的产品，从晶形特征上看，都应属于Ⅱ、Ⅲ区产品。要想从根本上解决质量问题，首先必须摒弃一些旧的思想观念，彻底纠正“低温低压出高强”的错误思想，合理调整合成参数。

　　由于金刚石的合成是一个非常复杂的过程，合成腔内的温度测定对大多数厂家来说难之又难，即使有办法测定，准确度也难以确认，因而，本文对各区的讨论仅限于定性分析。在实际操作中，应仔细观察产品特征，确定该工艺所处的区域，仔细研究其合成参数，再决定是升降温度和压力，但无论升或降，幅度一定要小。温度的控制方法大致有：控制电流、控制合成时间、控制合成快预热温度等。