宝石级大单晶的合成

宝石级大单晶的合成

人造金刚石是在实验室内通过模拟天然金刚石的生长环境合成出来的,其成分与天然金刚石相同,且具有颜色可控、尺寸可控等优势,因此人造金刚石成为了天然金刚石的完美替代品。目前国内普遍在国产六面顶压机上通过温度梯度法实现籽晶同质外延,进行宝石级大单晶的人工合成。

随着宝石级大单晶技术的日渐成熟,不同晶形的金刚石应用领域越来越广：塔状的金刚石大单晶可以用于制作首饰等,板状的金刚石大单晶可以用于制作精密切割刀具、拉丝模、红外透明窗口和基底等。

大单晶金刚石合成机理

将石墨碳源置于腔体中间的高温端,将晶种置于低温端。在高温高压条件下,碳原子在触媒溶液中的溶解度随着温度的降低而降低,导致碳在低温和高温区域存在过饱和浓度差,形成晶体生长的驱动力。在腔体中,高浓度的碳原子不断向低碳浓度的晶种处扩散,扩散下来的碳素直接在籽晶表面同质外延生长,随着时间推移不断沉积形成大尺寸金刚石。
影响因素

影响宝石级大单晶生长的因素众多,包括温度、压力、籽晶、触媒等。根据合成条件的不同,宝石级大单晶会生长为板状(六面体)、塔状(六八面体)和尖塔状(八面体)形貌。
温 度 场

温度场是高温合成腔体中各点温度分布的总和,能够反映温度在合成腔内空间和时间的分布,对合成晶体的质量和产量至关重要。由于合成过程中腔体内部温度场难以实时监测,只能通过软件进行模拟。

图2是通过有限元法模拟合成腔体内部温度场分布的热力图，可以看出:上方温度高的黄色和红色区域为碳源和触媒边缘处,下方温度低的蓝色区域为籽晶附近,温度梯度促使腔体内形成碳素浓度差,进而产生晶体生长的驱动力。
压 力

当合成压力增大时,可以在微观上缩短石墨中碳原子之间的相对距离，使碳原子更容易结合，提高晶体的生长速度。在温度相同的情况下,较高的压力代表较高的能量状态,金刚石的晶体形态随着压力的升高,逐渐从六面体的板状向八面体的尖塔状发展。
籽 晶

由于宝石级大单晶需要在籽晶面上外延生长,因此籽晶对于宝石级大单晶的合成起着至关重要的作用,籽晶晶面、尺寸、切割形状、排布等因素对合成金刚石的生长特征均有一定的影响。

晶面：籽晶晶面的选取能够直接影响宝石级大单晶的晶体形貌。籽晶为(100)面时,高径比比值随合成温度的升高逐渐增大,金刚石形貌逐渐由低温六面体板状转变为高温塔状,以(111)面为籽晶生长时的晶体形貌变化趋势则正好相反,高径比比值逐渐减小,合成的金刚石晶形由塔状向板状过渡,直至板状。

粒度：利用温度梯度法生长宝石级金刚石单晶的过程中,籽晶粒度对晶体生长速度和晶体品质存在很大影响。籽晶粒度增加时,接收碳源的面积增大,在合成初期晶体会以较快的速度增重。但籽晶粒度存在一定的阈值,不能无限增加,粒度过大时容易使金刚石内产生包裹体,晶体质量将会逐渐劣化。

籽晶切割形状：籽晶的长宽比存在一定的阈值,籽晶长宽比超出临界值时,合成的大单晶晶形将会产生缺陷。合成金刚石的长宽比随合成时间的延长而减小,不受籽晶切割形状的影响。当晶面一定时,晶体的微观结构不受籽晶切割形状和长宽比的影响，但可以通过改变籽晶的长宽比而对晶体的长宽比进行定向的诱导,直接合成条状宝石级大单晶。

籽晶排布：由于合成过程中,晶床的尺寸和碳源的量有限,因此,籽晶的排布对合成出的宝石级大单晶形貌也有一定的影响。在一定尺寸的晶床上，当籽晶数量多,排布较为密集时,籽晶的径向生长没有足够的空间,碳素随着合成时间的延长不断向下沉积,从而导致合成出的晶体呈现高径比较大的柱状。
触 媒

触媒材料的使用有效降低了金刚石合成的温度与压力条件.目前片状触媒技术已经被粉状触媒技术取代多年,粉状触媒与石墨粉接触面积大,石墨在触媒中的溶解度提高,促进了金刚石在轴向和径向的生长。因此,在生长条件合适时,使用粉状触媒生长的晶体较为饱满,且晶形完整。

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