高温高压合成硼掺杂金刚石单晶的抗氧化性能研究

作者:宫建红;李和胜;刘盛男;杨丽民;陈巧玲;高军;王丽 刊名:超硬材料工程 上传者:黄伟

【摘要】工业金刚石单晶的高温抗氧化性是决定其应用领域的重要技术指标。以石墨为碳源,Fe-Ni-B-C合金为触媒,在5.0GPa和1570K的高温高压条件下合成了硼掺杂金刚石单晶。通过测试该金刚石的热蚀率、静压强度、冲击韧性、起始氧化温度和金刚石受热后的表面形貌,研究了含硼金刚石的抗氧化性,并与常规金刚石单晶进行了对比。结果表明,硼掺杂金刚石单晶的高温抗氧化性以及静压强度和冲击韧性均明显优于常规金刚石单晶。

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1前言硼掺杂金刚石单晶除具有常规金刚石单晶的高硬度、高耐磨、抗腐蚀等性能外,在抗氧化性、化学惰性、静压强度和半导体性能等方面均具有显著优势[1-4],被看作是高温、大功率电子器件的理想材料[5,6]。近年来,硼掺杂金刚石单晶陆续被制作成光探测器[7]、场效应晶体管[5]和电子发射电极[8]等器件,尤其是其超导性质的发现[9],显示出硼掺杂金刚石单晶诱人的应用前景。金刚石从制造到使用需经历两次高温,尤其在使用过程中工作温度可达到1000,因此金刚石的高温抗氧化性(即高温强度)被作为确定金刚石应用领域的最重要性能指标之一[10]。国内外研究者对CVD金刚石薄膜的氧化过程进行了大量研究,发现金刚石薄膜的起始氧化温度为550,由于(111)面的表面活化性高及缺陷密度大,使得氧化反应优先在(111)面上发生[11];掺杂金刚石薄膜的氧化速度是非掺杂金刚石薄膜的十分之一[1];氧化速度随表面积增加而增大,同时随湿度增加而降低[12]。研究认为,氧化速度减慢是由于氧化过程中金刚石薄膜表面生成的B2O3薄膜起了屏障作用[3]。利用高分辨电子能量损失谱(HREELS)对真空退火引起金刚石薄膜的热稳定性研究结果表明[13],活性氢、氧原子具有足够的能量撞击氢终止的表面吸收物,同时为了形成新的化学键而被吸附到金刚石表面。相比于金刚石薄膜的氧化过程研究,对于硼掺杂金刚石单晶的氧化机制研究资料较少。鉴于工业金刚石单晶主要是采用高温高压法合成,因此对高温高压法制备的金刚石单晶氧化过程研究具有重要的学术意义和应用价值。2实验方法以石墨为碳源,将硼铁粉与镍粉、石墨粉按一定比例混合制成Fe-Ni-C-B系触媒。石墨片与触媒片采用片式叠加方式装入叶蜡石腔内,组装成合成块。合成块在干燥箱中恒温干燥,温度120,烘12个小时除去水分。高温高压合成金刚石的实验在国产KY-7200型六面顶压机上进行。温度和压力分别为1300和5.3GPa,合成时间11分钟。合成后把合成块取出,用王水去除金刚石表面残留的触媒,清水漂洗,得到硼掺杂金刚石单晶颗粒,用光学显微镜观察其外观形貌,用DSC-404C型差热分析仪测试其高温抗氧化性。热蚀率与冲击韧性的测试方法如下:使用分析天平称取约500mg的金刚石样品,放入热冲击炉中,在空气中加热至不同的加热温度(100、300、500、700、900和1100),保温30min,然后随炉冷却。经过加热之后的样品自加热炉中取出后,首先使用分析天平检测其质量,按照公式:r=m-m0m0100%计算金刚石的热蚀率(式中r为样品的热蚀率(%),m和m0分别为加热前、后样品的质量)。随后,从中称取400mg左右的样品进行冲击韧性检测,剩余样品用于静压强度检测。3结果与讨论图1是常规金刚石单晶和硼掺杂金刚石单晶形貌。可以看出,常规金刚石多为规则的六八面体晶体,颜色为浅黄色,透明。硼掺杂金刚石单晶因为硼的加图1金刚石颗粒(a)常规金刚石单晶;(b)硼掺杂金刚石单晶Fig.1Diamondmonocrystal(a)conventionaldiamondmonocrystal;(b)Boron-dopeddiamondmonocrystal;入,晶体成蓝黑色,晶形多为八面体。有研究证明,硼含量的增加会导致金刚石晶体颜色变深,而且金刚石晶体中不同晶面对硼元素的吸收程度不同[14]。3.1金刚石的热蚀率图2为两种金刚石在空气中的热蚀率。可以看出,在空气中,常规金刚石单晶加热到1100时的热蚀率约为硼掺杂金刚石单晶的10倍。温度高于700图2两种金刚石单晶样品在空气中的热蚀率Fig.2

参考文献

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