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　　利用不同籽晶面生长优质宝石级金刚石单晶
　　摘　要:为了研究不同籽晶生长面合成宝石级金刚石单晶(>1 mm),以NMi nCo金属触媒,采用高温高压温度梯度法合成了籽晶{1 0 0}生长面的优质宝石级金刚石单晶(>4 mm),并与以籽晶{1 1 1}作为生长面合成的晶体作了对比分析。结果表明:随着合成温度的升高,用{1 0 0}面生长出的晶体形貌由低温片状逐渐过渡到高温塔状,而用{1 1 1}面生长出的晶体形貌变化趋势则相反;采用籽晶{1 0 0}面或{1 1 1}面生长晶体,无论合成温度高低,包裹体都不容易进入片状晶体内部;只要存在合适的温度梯度,NMi nCo触媒同样适合利用籽晶{1 1 1}面生长优质大尺寸宝石级金刚石(≥4 mm)。因此可以利用该方法寻找物美价廉的新触媒以取代目前价格日益增长的NMi nCo合金。
　　关键词:凝聚态物理学;宝石级金刚石;温度梯度法;籽晶;触媒
　　中图分类号:O469　　文献标识码:A
　　Growth ofH igh-quality Gem Diamondswith Different Seed Facets
　　ZangChuan-y,iMaHong-an,TianYu,XiaoHong-yu, JiaXiao-peng
　　(NationalKeyLaboratory forSuperhardMaterials, Jilin University, Changchun130012, China )
　　Abstract:To study gem-grade diamond crystals(>1 mm)synthesized on different seed facets, high-qualitygem-grade diamond crystal(>4 mm) was synthesized on {1 1 1} seed facetswith NMi nCo asmetal solventusing temperature gradientmethod (TGM) underhigh pressure and high temperature(HPHT), and comparedwith thatgrown on {1 0 0} face.t The results show that in the case of {1 0 0} , the morphology of crystalchanges from low-temperature sheet to high-temperature towerwith increasing the synthesized temperature,whereas in the case of {1 1 1} the change trend is contrary to {1 0 0}. When {1 1 1} facetor {1 1 1} was used as the growth face,t the sheet-like crystal is more difficult to incorporated for the metal inclusion regardless of synthesized temperature. W ithNMi nCometal as solven,t large high-quality gem-grade diamonds
　　can also grow on {1 1 1} facetwith proper temperature gradien.t Therefore, thismethod can be used to seek a cheapermetal solvent to replace expensiveNMi nCo alloy for diamond synthesis.Key words:condensedmatter physics; gem diamond; temperature gradientmethod; seed;metal solvent
　　引　言
　　高温高压温度梯度法合成优质宝石级金刚石单晶(>1mm)是由美国G. E.公司在20世纪70
　　年代开发出的一种行之有效的合成方法[1-3]。合成优质宝石级金刚石单晶,除了要求严格控制晶体的生长速度外,籽晶的选择也很重要。不仅要求籽晶表面干净,更重要的是对不同金属触媒选择合适的籽晶生长面。作者研究发现,使用NMi nCo合金触媒,不仅籽晶{1 0 0}面适合用作生长面,而且籽晶{1 1 1}面同样可以用来生长优质大尺寸宝石级金刚石单晶(≥4 mm)。通常用的籽晶多为高品级粗颗粒的磨料级六八面体小单晶(≥0. 5 mm),基本是由{1 1 1}和{1 0 0}生长面组成,尤其是{1 0 0}面被广泛用作籽晶生长面[4-6],然而有关用籽晶{1 1 1}面作为生长面的报道较少。
　　作者选用NMi nCo合金触媒,使用了不同的籽晶生长面合成宝石级金刚石单晶,并考察了以
　　籽晶{1 0 0}和{1 1 1}面作为生长面对合成晶体的形貌及品质的影响。
　　1　实　验
　　本文实验均是在国产SDP6×1200型六面顶压机上进行的。利用温度梯度法合成宝石级金刚
　　石单晶的典型组装示意图如图1所示,可根据实验需要合理调整温度梯度大小。碳源为人造高纯石墨,置于高温处,在实验条件下会迅速(几分钟内)转化为金刚石;触媒选用国内普遍采用的片状触媒NMi nCo合金(各元素的质量分数比为70∶25∶5);籽晶选用粒度约为0. 5mm的进口高品级六八面体单晶,在籽晶使用前将表面处理干净,机械镶嵌在晶床上,只留下籽晶生长面{1 0 0}或者{1 1 1}与触媒接触,然后置于低温处。实验样品直接加温加压至合成条件(5. 5GPa, 1250~1300℃),保持10~20 h,然后卸压取出样品。经过酸处理最后得到表面干净的金刚
　　石晶体,然后在光学显微镜下观察其形貌以及包裹体的存在情况。
　　2 结果与讨论
　　温度梯度法合成优质宝石级金刚石单晶的基本前提就是要保证在金刚石合成的稳定区域内,碳源(金刚石)与籽晶之间存在合适的温度梯度。图2是在有金属触媒参与的金刚石合成的V型区示意图,由石墨与金刚石的平衡线和金属与金刚石的共晶线相交而成,不同触媒该区域也会不同。根据合成金刚石的晶体特征及p、T条件,该区域可分成{1 0 0}(六面体低温区)、{1 0 0}+{1 1 1}(六八面体中温区)、{1 1 1}(八面体高温区)三部分。对宝石级金刚石合成来说,籽晶生长面在V型区内所处的不同位置将直接对应着晶体形貌的变化。
　　用籽晶{1 0 0}面作为生长面,触媒选用NMi nCo合金进行优质宝石级金刚石单晶的合成研究已有很多报道[4-6],然而,为了增加实验的可比性,每次实验均采用多籽晶法,籽晶对称分布, 以确保温度的均一性,一半籽晶选用{1 0 0}作为生长面,一半用{1 1 1}作为生长面。保持5. 5GPa的合成压力不变,在不同温度下进行宝石级金刚石单晶的合成。图3(a)-(c)所获金刚石单晶的压力均为5. 5 GPa,合成温度分别为1250℃(图2中S1位置)、1265℃(图2中S2位置)、1290℃(图2中S3位置)。可以看出,同一温度下,用籽晶{1 0 0}面作为生长面与用籽晶{1 1 1}面作为生长面合成出的晶体形貌完全不同,塔状与片状对立生长。随着合成温度的提高,生长面为{1 0 0}的晶体形貌由低温状态的纯{1 0 0}片状晶体经过{1 0 0}+{1 1 1}组合的六八面体聚形逐渐过渡到高温纯{1 1 1}金字塔状晶体,如图4(a)所示[7, 8];然而如果用{1 1 1}作为生长面,晶体形貌则完全呈现相反的变化趋势,即由低温{1 0 0}金字塔状晶体逐渐过渡到高温纯{1 1 1}片状晶体,如图4(b)所示。出现完全相反的变化趋势是由晶体生长机制决定的。对于金刚石单晶生长过程而言,{1 0 0}和{1 1 1}面都是轴向层状堆跺生长,径向表面平铺生长;随着温度的升高, {1 0 0}面生长速度越来越快, {1 1 1}面越来越慢,所以{1 1 1}生长区越来越容易留下来,从而造成晶体在外延籽晶{1 0 0}和{1 1 1}生长面定向生长时出现截然不同的变化趋势。
　　从图4中包裹体的分布来看,在一定的生长速度下,随着温度的升高,对{1 0 0}生长面,层状包裹体越来越容易留在塔状晶体内部,而包裹体不容易进入低温片状晶体中;而对{1 1 1}生长面而言,趋势正好相反,随着温度降低,包裹体容易留在晶体内部。但二者共同之处就是片状晶体内部都不容易进入包裹体,其中塔状晶体要避免包裹体的进入相对困难些。但如果进一步降低晶体的生长速度,也会得到纯净的优质宝石级金刚石单晶[4]。
　　从大尺寸(>4 mm)的优质宝石级金刚石大单晶的生长情况看,使用NMi nCo触媒,只要存在合适的温度梯度,籽晶生长面不仅局限于{1 0 0}面[5],采用籽晶{1 1 1}面同样可以生长出超过4mm的宝石级金刚石,见图5。
　　3　结　论
　　(1)对{1 0 0}来说,随着合成温度的升高,晶体形貌由低温片状逐渐过渡到高温塔状,而用{1 1 1}面生长出的晶体形貌变化趋势则相反。
　　(2)无论采用籽晶{1 0 0}面或者{1 1 1}面生长晶体,无论合成温度高低,包裹体都不容易进入片状晶体内部。
　　(3)只要存在合适的温度梯度,NMi nCo触媒同样适合利用籽晶{1 1 1}面生长优质大尺寸宝石级金刚石(≥4 mm)。
　　(4)使用NMi nCo触媒,无论籽晶用{1 0 0}和{1 1 1}作为生长面,均可以生长出优质宝石级金刚石单晶,因此可以利用该方法寻找物美价廉的新触媒以取代NMi nCo合金。
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