含硼金刚石单晶的微观结构、性能与合成机理的研究

论文摘要

含硼金刚石(即Ⅱb型金刚石)是一类特殊的金刚石，在抗氧化性、耐热性和化学惰性方面都优于普通金刚石。尤其是电学性能方面，含硼金刚石具有优良的半导体性能，可以在更高温度和恶劣环境下正常工作，是一种有发展前途的高温、大功率半导体材料。随着现代化工业的飞速发展，含硼金刚石在各个行业都显示出巨大的应用前景，因此受到金刚石生产者和使用者的广泛关注。我国虽然已进入人造金刚石大国之列，但是国内的金刚石主要以中、低档次的磨料级产品为主，与国际上处于垄断地位的美国G．E．公司、南非DeBeers公司和德国Winter公司等企业的先进技术水平相比还有很大差距。因此，研究开发新型的优质金刚石单晶具有重要的现实意义。 本文以粉末冶金铁基金刚石催化剂为基础，以硼铁粉作为供硼剂，制备了用于合成含硼金刚石单晶的新型铁基含硼片状催化剂，以石墨为碳源，在高温高压条件下合成了两种含硼量不同的金刚石单晶。利用金刚石形貌测量系统(Diashape)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)，红外光谱(IR)、X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)等表征方法，对普通金刚石、含硼金刚石及含硼金刚石表面金属包膜的表面形貌和结构进行了系统的检测和分析；用静压强度仪、冲击韧性测量仪、差热分析仪(DSC)和自制的电阻—温度测量系统对含硼金刚石和普通金刚石的性能参数进行了比较和分析，结合余氏理论和程氏理论对金刚石与碳化物的电子结构和界面电子密度进行了计算分析，并用计算的结果结合相关的实验数据探讨了金刚石的形核与长大方式。 含硼金刚石的颜色因触媒中硼含量的不同而呈灰黑色或不透明的黑色，触媒中硼含量越高金刚石颜色越深，晶形主要以八面体居多。EPMA研究表明，金刚石表面硼元素的浓度随着触媒中硼含量的增加而增加：研究还表明同一类型金刚石的(111)晶面上硼元素浓度高于(100)晶面。XRD的实验结果表明金刚石中硼浓度越高，(111)晶面越发达。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 人造金刚石的合成方法
• 1.2.1 高温高压法合成人造金刚石
• 1.2.2 合成人造金刚石的其它方法
• 1.3 金刚石合成机理的研究
• 1.3.1 石墨合成金刚石的相变
• 1.3.2 金刚石合成机理
• 1.4 含硼金刚石的结构与性能研究
• 1.4.1 金刚石的分类
• 1.4.2 含硼金刚石的结构
• 1.4.3 含硼金刚石的性能
• 1.5 含硼金刚石的合成方法
• 1.6 人造金刚石触媒材料的研究
• 1.7 选题的意义及研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 铁基含硼触媒制备
• 2.2 金刚石高温高压合成试验
• 2.2.1 合成块组装
• 2.2.2 高温高压合成试验
• 2.2.3 金刚石的提纯
• 2.3 含硼金刚石与金属薄膜的形貌观察
• 2.3.1 金刚石的形貌观察
• 2.3.2 金刚石的SEM观察
• 2.3.3 金刚石的AFM分析
• 2.3.4 金属薄膜的FESEM观察
• 2.4 含硼金刚石的结构分析
• 2.4.1 含硼金刚石的XRD分析
• 2.4.2 含硼金刚石的Micro-Raman分析
• 2.4.3 含硼金刚石的IR分析
• 2.4.4 含硼金刚石与包覆膜的TEM分析
• 2.4.5 金刚石的EPMA分析
• 2.5 金刚石的性能检测
• 2.5.1 金刚石的静压强度测试
• 2.5.2 金刚石的热冲击韧性测量仪
• 2.5.3 金刚石的抗氧化性测试
• 2.5.4 金刚石的电阻-温度测量
• 第3章 含硼金刚石的形态与表面形貌
• 3.1 引言
• 3.2 金刚石形态观察
• 3.2.1 合成块上金刚石的形核密度比较
• 3.2.2 颜色
• 3.3 金刚石的粒度与晶型
• 3.3.1 粒度筛选
• 3.3.2 晶型分选
• 3.3.3 晶型差异性分析
• 3.4 Diashape系统测试金刚石晶体形貌
• 3.4.1 Diashape系统的测量指标
• 3.4.2 Diashape系统的统计原理
• 3.4.3 Diashape系统的测试结果
• 3.5 金刚石表面形貌观察
• 3.5.1 含硼金刚石单晶的SEM观察
• 3.5.2 含硼金刚石单晶的AFM观察
• 3.6 本章小结
• 第4章 含硼金刚石的晶体结构分析
• 4.1 引言
• 4.2 含硼金刚石的XRD分析
• 4.3 含硼金刚石的EPMA分析
• 4.4 含硼金刚石的Raman光谱分析
• 4.5 含硼金刚石的IR分析
• 4.6 含硼金刚石的TEM分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 含硼金刚石与普通金刚石的性能比较
• 5.1 引言
• 5.2 含硼金刚石的强度
• 5.2.1 金刚石的抗压强度
• 5.2.2 金刚石的冲击韧性测量
• 5.3 含硼金刚石的抗氧化性
• 5.3.1 金刚石的差热分析
• 5.3.2 金刚石受热后表面形貌的变化
• 5.4 含硼金刚石的电阻—温度测试
• 5.4.1 实验可行性分析
• 5.4.2 含硼金刚石的电阻—温度特性
• 5.5 本章小结
• 第6章 含硼金刚石单晶表面金属包覆膜的研究
• 6.1 引言
• 6.2 金刚石单晶表面金属包覆膜的研究
• 6.2.1 金属包膜的成分与结构研究
• 6.2.2 金属包覆膜的微观形貌
• 6.2.3 金属包膜的作用分析
• 6.3 金刚石的形核与长大
• 6.3.1 金刚石形核的热力学分析
• 6.3.2 金刚石的界面生长
• 6.4 本章小结
• 第7章 EET和TFDC理论在金刚石合成研究中的应用
• 7.1 引言
• 7.2 EET理论与TFDC理论简介
• 7.2.1 EET理论的基本概念
• 7.2.2 计算方法——键距差（BLD）法
• 7.2.3 程氏理论的基本思想
• 7.2.4 余氏理论和程氏理论的关系
• 3C（Fe₃（C,B））／金刚石界面的电子结构计算'>7.3 Fe₃C（Fe₃（C,B））／金刚石界面的电子结构计算
• 3C和Fe₃（C,B）的价电子结构计算'>7.3.1 Fe₃C和Fe₃（C,B）的价电子结构计算
• 7.3.2 金刚石的价电子结构
• 7.3.3 界面电子密度计算
• 7.4 结果讨论
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 攻读博士学位期间申请国家发明专利
• 攻读博士学位期间获奖情况
• 学位论文评阅及答辩情况表