硅掺杂对高温高压合成金刚石大单晶生长的影响

  金刚石具有极其优异的性能，例如最高的硬度和最大的导热率，极宽的透光波段以及耐酸碱腐蚀性能强等特点。同时，金刚石的相关色心缺陷，如氮空位（NV）中心、硅空位（Si−V）中心等在室温下具有很高的光稳定性，使得金刚石成为量子物理学中潜在的重要基础材料。例如，元素六近日正式推出首款商用量子金刚石，为那些研究氮空位中心（用于量子演示、脉射器、射频辐射探测、陀螺仪、传感和进一步项目）的学者提供了一种理想的初始材料，详细内容可点击此处阅读。

  众所周知，天然钻石形成于地球深处，硅是地幔岩石和诸多矿物中含量都很高的元素，进而与硅有关的杂质也广泛存在于天然钻石中。因此，在高温高压（HPHT）条件下开展硅掺杂金刚石相关的研究，不仅可以有效拓展金刚石的功能化，而且有助于深入理解和探讨硅相关杂质的存在对天然金刚石生长的影响。

  贾晓鹏教授团队青年教师房超博士在国产六面顶液压机上，利用利用温度梯度法，开展了高温高压下硅掺杂金刚石大单晶相关的合成研究，硅粉在镍基金属触媒体系中的添加量为：0.25wt％~8.0 wt％，用以探究硅浓度的变化对金刚石大单晶生长的影响，实验组装如下图1：

  图1.HPHT合成金刚石组装示意图：（A）合金顶锤+叶腊石块；（B）样品组装示意图：1.导电钢圈；2.称管；3.石墨碳源；4.合成的金刚石单晶；5.石墨加热管；6.叶腊石块；7.堵头；8.镍基金属触媒；9.金刚石籽晶。

  图2. 镍基金属触媒体系添加硅合成金刚石晶体的光学照片：(a)0.25 wt.%；(b)0.5 wt.%；(c)1.0 wt.%；(d)2.0 wt.%；(e)3.0 wt.%；(f)−(j)分别对应(a)−(e)的侧视图。

  图3. 镍基金属触媒体系添加硅合成金刚石晶体的光学照片：(a)4.0wt%；(b)5.0wt%；(c)6.0wt%；(d)8.0wt%；(e)−(g)分别对应(a)−(c)的侧视图；(h)对应(d)的局部放大图。

  通过金刚石大单晶生长的光学照片和相关实验结果的分析发现，合成腔体中硅含量的增加会导致金刚石夹杂物（包裹体）的分布呈现出由点状→片状→串状（柱状）的趋势。在一定合成条件下，硅掺杂量超过一定量后较难生长出完整晶体。实验研究还表明，硅掺杂量的增加可导致晶体内部石墨相关杂质和应力的增加，影响金刚石的晶体质量。

  同时，通过红外光谱相关的表征分析，作者发现硅元素添加量的增加可降低合成金刚石晶体内部的氮含量，如下图4所示。该发现表明通过控制高温高压合成环境中的氮浓度，可有望实现对硅掺杂金刚石晶体合成质量的相应调控。

  图4. 不同浓度硅掺杂量下生长金刚石大单晶的红外光谱图比较

  本文关于硅掺杂金刚石大单晶的高温高压合成与生长特性的研究，将为未来工业化合成高质量硅掺杂相关金刚石单晶的研究提供参考。相关研究成果以“SiDoping Effects on the Growth of Large Single-Crystal Diamond in a Ni-BasedMetal Catalyst System under High Pressure and High Temperature”为题发表在国际晶体学领域著名期刊CrystalGrowth & Design上，郑州大学为第一作者单位和通讯单位，共同通讯作者为张跃文博士和张壮飞博士，文章链接：

  。该研究工作得到国家自然科学基金、河南省高等学校重点科研项目、中国博士后科学基金和河南省博士后科学基金项目的支持。

  作者简介： 房超，男，博士毕业于吉林大学超硬材料国家重点实验室，师从贾晓鹏教授，目前就职于郑州大学物理学院高压技术与超硬和功能材料物理实验室，主要从事掺杂功能化金刚石单晶的高温高压合成与应用等方面研究。

  E- ** il:fangchao1989@zzu.edu.cn。

  （本文由中国超硬材料网编译整理，作者审阅校对。）