研究消除金刚石合成丝状缺陷的方法

高压高温合成得到的单晶金刚石可用作化学气相沉积金刚石的衬底，也是制作光学元件和下一代电子器件的很有前途的材料。高纯金刚石还被应用于量子计算、量子网络和高精度的电磁传感器。金刚石合成方法已经取得了很大进展，但高质量单晶金刚石的合成仍然是一个挑战。

金刚石晶格中的晶体缺陷会导致电流泄漏和较低的击穿电压，并可能影响光传播和氮空位中心的应用。迄今为止，即使是通过高温高压或化学气相沉积法合成的最纯净的IIa型金刚石，其晶格中也含有层错、位错线和延伸的缺陷。因此，必须消除这些缺陷才能合成高纯度金刚石。

Fe，Co，Ni或它们的合金是高温高压合成金刚石的主要催化剂。其中，Ni和Co很容易通过取代作用而掺入金刚石晶格中，但掺入Fe要困难得多。因此，铁基催化剂合金是合成高纯度金刚石的最有前途的，但在使用这些材料合成的较大金刚石中经常发现丝状缺陷。金刚石中丝状缺陷的来源尚不清楚，也没有消除这些缺陷的方法的报道。因此，了解金刚石中丝状缺陷的形成机理并采取有效措施消除或减少丝状缺陷发生至关重要。

深圳大学陈宁、张国庆等通过使用Fe64Ni36作为催化剂在5.5 GPa的压力和1250至1300°C的温度下合成了Ib型金刚石，观察到快速冷却合成的金刚石中普遍存在丝状缺陷。

图1金刚石合成的示意装配图：1.立方体叶蜡石块；2.白云石管；3. NaCl + ZrO2管；4. ZrO2 + MgO管；5.Fe64Ni36催化剂合金；6.种子金刚石；7.石墨加热器管；8.白云石柱；9.钢帽；10.铜板；11. ZrO2 + MgO柱；12.碳源；13.合成钻石；14. ZrO2 + MgO种子床；15.石墨片。

图2通过传统的快速冷却技术在不同的合成温度下合成的金刚石的光学显微镜图像：（a）和（a'）1250°C；（b）和（b'）1270°C；（c）和（c'）1300°C。

表1. 5.5 GPa Fe64Ni36-C系统中传统快速冷却金刚石合成实验的结果和详细信息

金刚石合成完成后，需要将合成组件的温度从金刚石合成温度降低到150°C左右，才能安全卸载高压。在合成组件冷却期间，热弹性应力从金刚石内部释放。当冷却时间长达数分钟（传统的快速冷却技术）时，没有足够的时间来消除金刚石内部的热弹性应力，可能导致丝状缺陷的产生。

此外，传统的快速冷却过程还导致催化剂合金和晶种床在金刚石内部产生较高的热弹性应力。

因此，陈宁、张国庆等认为冷却时间较长的梯度冷却技术可能是减少金刚石丝状缺陷的一种有效方法。为了验证这一假设，他们还使用梯度冷却技术进行了60、180和300分钟的冷却时间的金刚石合成实验。

图3显示了E-1至E-6实验中的梯度冷却速率。传统快速冷却技术的冷却速度约为373.33°C / min（图3a）。E-4至E-5实验中的冷却速率分别约为18.67°C / min，6.22°C / min和3.73°C / min（图3b-d）。图4显示了使用梯度冷却技术获得的钻石的OM图像。图4a-c是顶视图OM图像，图4a'-c'是在透射光模式下合成钻石的侧视图图像。当将梯度冷却时间设置为60分钟时，在图4a中观察到的丝状缺陷少于图2b。随着梯度冷却时间增加到180分钟，在图4b和图4b'中仅观察到少量丝状缺陷。比较图4和图2，大多数丝状缺陷的取向垂直于{100}面。当梯度冷却时间增加到300分钟时，丝状缺陷被完全消除，形成了黄色透明的钻石晶体，如图4c和4c'所示。

图3 E-1至E-6实验中的梯度冷却速率：（a）3分钟，用于E-1至E-3实验；（b）60分钟，进行E-4实验；（c）180分钟，进行E-5实验；（d）300分钟，用于E-6实验。

图4通过梯度冷却技术以不同的梯度冷却时间合成的钻石的光学图像：（a）和（a'）60分钟，来自E-4实验；（b）和（b'）180分钟，来自E-5实验；（c）和（c'）300分钟，来自E-6实验。

表2 Fe64Ni36-C系统在5.5 GPa和1270°C下使用梯度冷却技术进行金刚石合成实验的结果和细节

实验结果表明，采用传统快速冷却工艺合成的立方、立方八面体和八面体金刚石的内部均存在丝状缺陷。梯度冷却技术可以减少金刚石由于热弹应力造成的损伤。随着梯度冷却时间的延长，金刚石的结晶质量提高，丝状缺陷的数量和内应力减少。当梯度冷却时间设定为300min时，金刚石中的丝状缺陷完全消除。

该研究加深了对金刚石丝状缺陷成因的认识，也为获得高质量金刚石提供了有效的方法。

该研究成果以“Defect and Stress Reduction in High-Pressure and HighTemperature Synthetic Diamonds Using Gradient CoolingTechnology”为题，于6月8日发表在美国化学学会期刊(ACS Publications)，中国超硬材料网编译整理。

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