摘要 本文利用国产六面顶压机，在高温高压条件下，采用铁镍粉末触媒添加一定比例的硼粉合成出了优质掺硼金刚石单晶。通过光学镜观察发现，合成的掺硼金刚石多为黑色六八面体，晶形完好，粒度均匀；利用扫描电镜(SEM)分析了掺硼金刚石的微观形貌。研究结果表明：合成的六八面体掺硼金刚石晶体表面光滑、平整、晶形完整度高，得出掺硼金刚石的优晶区在V形区的{100}+{111}区问。
关键词 高温高压 掺硼金刚石 微观形貌
Synthesis of High Quality Boron——doped Diamond Crystals at HPHT
Abstract In this paper，high quality boron—doped diamond crystals were synthesized from the svsteIn of Fe—based alloy and graphite with additive boron at high pressure and high tern—perature(HPHT)in cubic press．The resuh shows that the morphology of diamond crystals is black cub—octahedral，crystal intact，uniform particle size．The diamond crystals are charac—terized bv scanning electron microscope(SEM)． It is found that the surface mowhology of b0’ron—doped diamoIlds is flat and complete，and the growth region of{100 t+{111 f is suit’ able for tile growth of high quality boron—?doped diamond．
Key words HPHT Boron—doped diamond morphology
1 引言
高温高压li人工合成金刚石的生长环境中包含许多杂质成分，其中一些杂质可以以替位形式或以包裹体形式进入到金刚石中去。不同 的杂质对金刚石的性能影响不同。硼是金刚石 中比较常见的杂质元素，在天然金刚石中就时常可以发现它的踪迹…。
金刚石中含有一定量的硼时，会改变金刚石的光学、热学、化学、电学及力学等性质。在光学方面使晶体带有颜色，金刚石中随硼含量的增加，晶体则由 黄色逐渐变为棕红色、灰色、蓝色、直至变为黑色；在热学方面，使金刚石具有优异的抗氧化性、耐热性和导热性；在电学方面，使金刚石由绝缘体变为P型半导 体，甚至还具有半金属导电性；在化学方面，掺硼金刚石可切削铁族材料；在机械性质方面，金刚石的耐磨性、冲击韧性、抗压强度均有增强。因此在不同 的领域中已经显示出其广阔的应用前景，从而引起了众多研究者的兴趣。然而，随着硼掺杂量的增加，比较容易合成出八面体含硼金刚石，所合成出的晶体表面缺陷 增多。
本文从合成金刚石的V形区中分析压力和温度两个因素对含硼金刚石晶形和形貌的影响，通过对金刚石的合成参数的调整合成出优质六八面体含硼金刚石。我们 对采用以上特殊工艺合成出的含硼金刚石的微观形貌进行了SEM表征，发现晶体表面平整、晶形完整度高。该项工作对于含硼金刚石工作的进一步开展有着重要的 参考价值。
2 实验
实验是在国产SPD6×1200型7200吨六面顶压机上进行的。铁基合金粉末(200目)作触媒溶剂，鳞片状石墨粉(200目)作碳源，采用高纯硼粉作添加剂。合成条件为5．0GPa，1450K一1700K。
铁基触媒、鳞片石墨和适量的硼粉按一定的比例均匀混合后压制成合成棒料，将压制好的棒料组装在叶蜡石合成块中。叶蜡石合成块在组装前经过300℃焙烧处理以除去其中吸附的水分。我们对高温高压合成后样品进行酸处弹．去掉石器和金属。
本实验的合成压力是根据铋(Bi)、钡(Ba)、铊(T1)的高压相变点所建立的油压与腔体内部的压力的定标曲线进行标定的，合成温度是根据Pt 6％Rh—Pt 30％Rh热电偶测定的输入功率和温度的关系曲线进行标定的。
3 结果与分析
3．1 掺硼金刚石生长的V形区特点
随着硼添加量的增加，生长的金刚石{111}晶面的生长区间逐渐变宽，而{100}和{100}+{111}晶面的生长区问相应变窄，当硼添加到一定量时 {100}面几乎消失，而{100}+{11l}晶面的生长区间相应变得很窄，所生长的晶体几乎都是{11l}晶面发达的八面体卜”。金刚石的v形区的变 化如图1所示，不添加硼时，{100}和{100}+{11l}晶面的生长区间较宽，随着硼添加量的增加，它们逐渐向V形区的左侧偏移。{100}+ {111}晶面的生长区间由图中两条虚线所夹的区域变为阴影区域，{100}晶面的生长区间相应变小，{111}晶面的生长区间变的更宽。
图1 掺硼金剐石V形区变化的不葸目
Fi91 Scherne of the nloVement of V—shape region of boIoll—doped diamond
3．2优质含硼金刚石的合成
由于合成样品中随着含硼量的增加金刚石生长的V形区发生变化，比较容易合成出{111}面发达的八面体。尽管晶体{111}面的生长速度比较慢，但是晶体表面缺陷比较多，而{100}面的生长速度快，也容易产生缺陷。所以本文采用特殊的工艺合成出优质六八面体的含硼金刚石。由图2中光学显微镜照片a可 以看出，晶体多为黑色八面体，整体粒度不均匀，晶形完整度低，表面极其不光滑。由照片b可以看出，晶体为黑色六八面体，整体粒度均匀，晶形完好，表面光滑 平整。图c为图a中的晶体的SEM照片。可明显看出八面体的晶体表面极其不光滑、晶形完整度低，各个{11l}晶面上有严重的缺陷，有较大三角形凹坑、也 有很多不规则的凹坑。图d为图b中的晶体的SEM照片。可明显看出六八面体的各个晶面比图C中晶体表面更光滑、平整、晶形完整度更高。晶体各个晶面很少有 三角形的凹坑或不规则的凹坑。
图2 掺硼金刚石的光学照片(a、b)和SEM照片(c,d)
Fi92 0ptical Photographs(a、b)and SEM photographs(c、d)of boron doped diamond crystals
在硼的添加量一定、合成压力不变的情况下，当合成腔体中温度低时，合成的晶体为六面体，晶体生长较快，进入晶体中的包裹体就较多；当合成腔体中温度高时，合成的晶体为八面体，晶体生长速度相对慢下来，但是由于硼进入金刚石有晶面选择性，即最易沿{111}面进入晶体，同样会导致晶体表面有大量缺陷增加。因此，我们根据掺硼金刚石的生长特点，发现优质掺硼金刚石的生长区间较窄，在V形区的{100}+{11l}区间。
4 结论
(1)合成出了六八面体的掺硼金刚石单晶，从微观形貌卜-要优于六面体和八面体的掺硼金刚石；
(2)优质掺硼金刚石的生长区间较窄，在v形区的{100}+{111}区间。
