论文题目：Fe-Ni-C-Si体系下金刚石大单晶的高温高压合成与表征
摘要：将金刚石沿特定晶面切割处理后得到的钻石,由于在光照条件下色彩艳丽而备受人们喜爱,具有极高的欣赏价值和艺术价值。此外,由于它特殊的原子排列结构:碳原子以sp~3杂化的形式存在,致密度较高,是目前已知的自然界中天然形成的最硬的物质,有着“工业牙齿”的美称。金刚石具备诸多优良的物理和化学性质,不仅硬度高,还是集诸多其他优良性能于一身的极限功能材料:高透光波段、高导热性、宽禁带、低膨胀性等,这使得金刚石在功能器件、精密加工、激光窗口及科学研究等方面具有较高的价值。而合成高品质宝石级金刚石不仅能满足人们对钻石的追求,更能促进我国高精尖科技的发展。金刚石是在地表下140-240 km处的上地幔形成的一种重要矿物,经过板块运动、地幔对流、火山喷发等一系列地质活动到达地表。金刚石经过漫长的生长,其周围复杂环境体系中的各种元素及组成的物质会以成键或者包裹体的方式稳定存在于金刚石晶体里面。由于钻探技术的局限性,无法直接获取地幔层中的物质结构、成分比例、元素分布等信息。但在金刚石的保护下,内部的包裹体可以安全的到达地面,它包含着地球内部地幔层的重要原始物理数据,这为研究地球内部的物质信息提供了直接证据。同时根据存在于包裹体中的物质构建适合生长金刚石的环境体系模型,如Fe-Ni-Mg Si O3-H2O体系、Fe-C-S体系、Fe-Mg-C体系、Ni-Mn-Co-Si体系等。体系中的元素均是存在于包裹体中的元素,这样建立起来的人工模拟金刚石的生长环境更加接近天然金刚石的生长。在已经发现的金刚石内部众多的包裹体类型中,碳化硅（SiC）是其中的一种。另外,铁、镍元素广泛存在于地球内部,因此我们以铁镍合金为触媒、以碳化硅为掺杂剂建立了Fe-Ni-C-Si体系来探究天然金刚石的生长特性及机制。此外,由于金刚石在地球内部不同环境下,金刚石晶体的结晶质量有较大差异,生长速度有明显区别。因此,实验开展了晶体生长速度的差异对合成金刚石特性的工作研究。本研究所使用的设备是SPD-6×1200T的国产六面顶压机,为合成金刚石提供所需的高温高压环境,在Fe-Ni-C体系中采用温度梯度法详细探讨了碳化硅进入高温高压环境对合成晶体带来的影响;在Fe-Ni-C体系下选取不同大小的晶种合成出了生长速度不同的金刚石晶体。我们分别对以上两种实验方案合成的金刚石样品进行测试表征,如:表面形貌、尺寸、样品质量、内部的氮含量、元素的成键形式以及内部的缺陷等。主要研究内容及成果如下:1.以SiC为掺杂物,在构建的Fe-Ni-C-Si体系中成功培育出宝石级金刚石样品。探究了碳化硅的掺杂比例从0 wt%增加到20 wt%的情况下对合成的金刚石晶体性能的影响规律。随着SiC掺杂含量的提高,晶体的生长速度降低。通过光学显微镜获悉内部的包裹体含量增多,晶体颜色变浅,由黄色变为浅黄色;根据IR、Raman和PL光谱测出内部的N含量降低、结晶度有所下降,NV-色心（637nm）逐渐增强并且在掺杂比例较高时出现了NV~0色心;XPS测试得到在20 wt%碳化硅存在于合成体系中时,获取的样品中的成键形式主要以sp~3的C-C键为主,同时出现了C=O键、N-C键、C-Si键等,表明碳元素、氮元素和硅元素进入到金刚石内部;2.通过控制晶种的大小合成出生长速度不同的金刚石单晶,晶体内部的N含量随着生长速度的增加而增加;IR和Raman结果表明,相较于生长速度为1.58mg/h的晶体,生长速度为0.85 mg/h的金刚石结晶度更高,内部的杂质含量和缺陷更少;PL测试显示,生长越快的晶体,NV-色心（637 nm）峰的强度越高。
关键词：金刚石;碳化硅;HPHT技术;掺杂;氮含量
学科专业：凝聚态物理
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 金刚石的结构和性质
1.2.1 金刚石晶体结构
1.2.2 金刚石晶体性质
1.3 金刚石的分类
1.4 金刚石的形成及发展历程
1.5 合成金刚石的原理
1.5.1 纯碳素体系下的相图
1.5.2 溶剂碳素系下的相图
1.5.3 金刚石的V型生长区
1.5.4 溶剂理论中石墨相到金刚石相的驱动力
1.6 选题意义及研究内容
1.6.1 选题的意义
1.6.2 研究内容
第二章 金刚石的合成技术
2.1 引言
2.2 高温高压设备简介
2.3 合成材料的选择
2.4 合成室压力和温度的标定
2.4.1 温度的标定
2.4.2 压力的标定
第三章 生长速度对合成金刚石特性的研究
3.1 引言
3.2 实验过程
3.3 结果与讨论
3.3.1 合成金刚石晶体的条件及光学照片
3.3.2 合成金刚石晶体FTIR表征
3.3.3 合成金刚石晶体Raman表征
3.3.4 合成金刚石晶体PL表征
3.3.5 生长速度对晶体杂质含量影响的机制
3.4 结论
第四章 Fe-Ni-C体系中SiC掺杂对金刚石特性的研究
4.1 引言
4.2 实验过程
4.3 结果与讨论
4.3.1 Fe-Ni-C-Si体系下金刚石的光学照片
4.3.2 Fe-Ni-C-Si体系下金刚石的FTIR表征
4.3.3 Fe-Ni-C-Si体系下金刚石XPS表征
4.3.4 Fe-Ni-C-Si体系合成金刚石Raman表征
4.3.5 Fe-Ni-C-Si体系合成金刚石PL表征
4.3.6 Fe-Ni-C-Si体系中合成金刚石的生长过程
4.4 结论
第五章 结论与展望
5.1 结论
5.2 展望
参考文献
致谢