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金刚石的人工合成

金刚石

TheDiamond

金刚石：俗称“金刚钻”，它是一种由碳元素组成的矿物，是石墨的同素异形体，化学式为C，也是常见的钻石的原身。

金刚石

结构式

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物理性质

（1）导电性差；

（2）硬度大；

（3）导热性差；

（4）熔点很高；

化学性质

（1）耐酸性

（2）耐碱性

实际用途

工业用途：

地质钻头和石油钻头金刚石、拉丝模用金刚石、磨料用金刚石、修整器用金刚石、玻璃刀用金刚石、硬度计压头用金刚石、工艺品用金刚石。

慢性毒药：

文艺复兴时期，用金刚石粉末制成的慢性毒药曾流行在意大利豪门之间。当人服食下金刚石粉末后，金刚石粉末会粘在胃壁上，在长期的摩擦中，会让人得胃溃疡，不及时治疗会死于胃出血，是种难以让人提防的慢性毒剂。

观赏宝石：

钻石由于折射率高，在灯光下显得闪闪生辉。巨型的美钻可以价值连城。而掺有深颜色的钻石的价钱更高。

人工合成

//人工合成

Synthesis

自从年英国科学家完成精确燃烧试验后,揭示了金刚石是由于纯碳构成后,人类社会从此走向了探索人工合成金刚石的道路。根据探索成果来看,想要人工合成金刚石,只能在极端条件下有序开展,该技术的实现也是人类史上合成技术的突破性进展。

合成方式

经过不断发展，现在合成金刚石的方法主要有三种，即高压高温法、爆轰法、化学气相沉积(ChemicalVapourDeposition,CVD)法。

本文将着重介绍一下化学气相沉淀法(CAD)。

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CVD钻石合成

化学气相沉淀法

合成原理

通过含薄膜元素的挥发性化合物与其他气相物质的化学反应产生非挥发性的固相物质并使之以原子沉积在适当的衬底上。CVD法可以在衬底上沉积出大面积的金刚石膜，或依托金刚石单晶晶种进一步生长成大单晶。

合成步骤

反应气体的激发

活性物质的沉淀

合成方法

微波等离子体CVD法

热丝CVD法

直流电弧等离子体喷射CVD法

微波等离子体CVD法

合成仪器

几种微波等离子体CVD法的仪器

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合成方式

将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应器，并通入CH4与H2的混合气体，在微波的激励下，在反应室内产生辉光放电，使反应气体的分子离化，产生等离子体，在衬底上沉积得到金刚石膜，C吸收电子转为C－和原子氢，是形成金刚石的基本中间产物，等离子体将中的6个氢原子去除后，6个C－占据中6个氢原子位，从而形成具有8个C原子的金刚石结构单元，重复沉积形成金刚石膜。

原理

合成特点

优点

（1）生长速率非常快的，速度可以达到微米/时，比热丝速度高出三个数量级。

（2）等离子体密度高，无放电电极污染;良好的控制，高质量，可控制的生长面积。

缺点

（1）能耗太高，机器功率高到50KW

（2）腔室尺寸有限，金刚石膜尺寸小

（3）微波的干扰对于设备有损耗，设备的寿命较短

（4）高温的维持以及高温冲击对衬底的要求较高

应用领域

（1）光学薄膜，包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等

（2）功能光电材料（利用材料本身光学性质发生变化的原理，实现对入射光信号的探测、调制及能量或频率转换作用的光学材料）

（3）耐磨涂层（具有耐摩擦力的防粘涂层涂敷的基材）

热丝CVD法

合成仪器

几种热丝CVD法的仪器

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CVD法的仪器

合成方式

原理

在预抽真空的腔体中，碳氢化合物气体和氢气通过高温热丝裂解，在基体上沉积金刚石薄膜。将热丝接在两端电极上，高温加热热丝，促使CH4/H2碳氢反应气体裂解和激发形成活性碳氢基团、自由氢原子、自由电子与离子团等反应粒子，经一系列化学反应沉积在基体表面，形核、生长，在衬底表面沉积成金刚石膜。热丝常用钨丝、钽丝、铼丝。

合成特点

优点

（1）性价比高，沉积参数范围较宽，要求不严格，

（2）操作简单，维修方便，设备价格较低

（4）薄膜生长面积大(直径-mm）能获得面积较大的金刚石膜，便于实现工业化生产。

缺点

（1）热丝的材质为金属，其对氧化性和腐蚀性的气体（在高温高压条件下）极为敏感

（2金属热丝限制了反应气体的种类，还对其的纯度有较高的要求；

（3）热丝的存在，以及温度较高导致这种方式合成出来的金刚石薄膜纯度不高。

应用领域

由于其纯度不高，无法用于光学仪器以及对于纯度要求很高的领域，目前只能用于机械领域和耐磨涂层。

直流电弧等离子体喷射CVD法