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关于CVD金刚石的性质

2022-10-11 08:45:32

早在公元前700年,人们就知金刚石很硬,“金刚石”的英文名diamond来自希腊文“adamas”,意思是“无敌”。如果翻开材料物性手册,将会发现金刚石的许多性质是Z大和Z高的:金刚石在所有已知物质中具有Z高的硬度,室温下有Z高的热导率,对光线而言从远红外区到深紫外区是完全透明的,有Z低的可压缩性,较佳的化学惰性,其生物兼容性超过了钛合金等等。


然而由于天然金刚石数量稀少,价格昂贵,尺寸有限等因素,人们很难利用金刚石的上述优异的性能。1796年,S. Tennant将金刚石燃烧成CO2,证明金刚石是由碳组成的。后来又知道天然金刚石是碳在地壳深处的高温高压下转变而来的,因此人们一直想通过碳的另一同素异形体——石墨来合成金刚石。从热力学角度看,在室温常压下,石墨是碳的稳定相,金刚石是碳的不稳定相;而且金刚石与石墨之间存在着巨大的能量势垒(见图1),要将石墨转化为金刚石,必须克服这个能量势垒。表1为石墨和金刚石的热力学性质对照表。

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根据表1中的这些数据进行粗略计算,要使石墨转化为金刚石至少需要15000atm的压力,而要使转化速度达到工业化生产的要求,使用的压力一般要超过50000atm。根据热力学数据以及天然金刚石存在的事实,人们开始模仿大自然的在高温高压条件下将石墨转化为金刚石的研究,即所谓的高温高压(HTHP)技术。美国通用(GE)电气公司于1955年率先制成了HTHP金刚石,并于60年代将HTHP金刚石用于工具加工领域。通过添加金属催化剂如Fe、Co、Ni、Mn、 Cr等可以使转化温度和压力从3,000K,150,000atm下降到1,600K,60,000atm。图2为生产金刚石的主要方法中碳的热力学稳定区相图。


目前使用HTHP生长技术,一般只能合成小颗粒的金刚石;在合成大颗粒金刚石单晶方面,主要使用晶种法,在较高压力和较高温度下(60000atm,1800K),在几天时间内使晶种长成粒度为几个毫米,重达几个克拉的宝石级人造金刚石,较长时间的高温高压使得生产成本昂贵,设备要求苛刻,而且HTHP金刚石由于使用了金属催化剂,使得金刚石中残留有微量的金属,因此目前完全代替天然金刚石还有相当距离。而且用目前的技术生产的HTHP金刚石的尺寸只能从数微米到几个毫米,这也限制了HTHP金刚石的大规模应用。因而必须开发出一种新方法,用这种方法生产出来的金刚石,其形态能使得金刚石的那些优异性能得到充分体现,这一形态就是用化学气相沉积制备的金刚石薄膜。


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