一种人造金刚石及其制备方法和应用与流程

本发明涉及材料，尤其是一种人造金刚石及其制备方法和应用。

背景技术：

1、金刚石具有高硬度、高熔点、高绝缘性、低介电常数、高导热性以及高化学稳定性等优异的物理和化学性能，作为一种宽带隙(5.47 ev)半导体材料，被广泛应用于机械、光学、电子、医学、量子、电化学、通信和高功率电子等领域，还可以被加工成珠宝。由于天然金刚石资源稀缺，难以满足需求，于是人们开始寻求模拟天然金刚石的形成机理，并成功合成出了人造金刚石。

2、现有的人造金刚石的合成方法主要包括以下几种：1）高温高压（hpht）法：将金刚石种子放置在压力机（目前有带式压力机、立方体压力机、bars装置三种类型的压力机）的底部，压力机的内部部件被加热到1400℃以上并熔化溶剂金属，熔融金属溶解高纯度碳源，然后输送到小的金刚石晶种并沉淀，形成大的合成金刚石。2）化学气相沉积（cvd）法：一种从碳氢化合物气体混合物中生长金刚石的方法。3）引爆法：通过在金属室中在压力和温度的作用下，引爆某些含碳炸药形成金刚石纳米晶体，这些被称为“爆炸纳米金刚石”。4）超声空化法：微米级金刚石晶体可以使用超声波空化法从石墨在有机液体中的悬浮液中合成，金刚石产量约为初始石墨重量的10%。虽然超声空化法所需的合成条件对压力和温度要求不高，用其生产的金刚石的估计成本与hpht方法相当，仍然较昂贵；并且，产物的结晶完美性明显更差。

3、现有的人造金刚石的合成方法需要很高的反应温度和/或反应压力、或者产量低、成本高。因此，需要提供一种低成本、高品质的金刚石。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，为了解决现有的人造金刚石制备条件苛刻，需要较高的反应温度和压力较高的问题，提供一种全新的人造金刚石的制备方法。本发明的人造金刚石在室温下即可合成，在整个结晶碳生长过程中不需要极端条件（如高压、高温、高电压等），成本低。

2、为实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种人造金刚石的制备方法，包括如下步骤：

3、在≤300℃、≤1000atm以及光照条件下，碳源在半导体pn结和氧化剂的作用下进行碳化反应，得到人造金刚石。

4、作为本发明的实施方案，所述反应的温度为25±10℃；所述反应的压力为1±0.02atm。

5、作为本发明的实施方案，所述碳源为醇类化合物，所述醇类化合物包括碳原子数为1~5的小分子一元醇、小分子多元醇中的至少一种。

6、作为本发明的实施方案，所述氧化剂包括过氧化氢、氧气、过渡金属氧化物中的至少一种。

7、作为本发明的实施方案，所述碳源与氧化剂的重量比为：碳源：氧化剂=（0.1~20）：1。

8、作为本发明的实施方案，所述光照的波长为100~1500nm。

9、作为本发明的实施方案，所述光照的强度为102~108lux。

10、作为本发明的实施方案，所述半导体pn结包括gan、sic、sno2、bn、aln、alp、zno、zns、cds、金刚石中的至少一种。

11、作为本发明的实施方案，所述半导体pn结还包括掺杂元素，所述掺杂元素包括mg、si、fe、n、p、al、b、ga、be中的至少一种。

12、作为本发明的实施方案，所述半导体pn结还包括金属电极，所述金属电极中包括au、ag、cu、al、pt、zn、ti、sn中的至少一种元素。

13、作为本发明的实施方案，所述碳化反应的时间为10~500h。

14、作为本发明的实施方案，所述人造金刚石的产率≥5wt%。

15、本发明的第二方面，提供由上述制备方法制备得到的人造金刚石。

16、作为本发明的实施方案，所述人造金刚石的单晶晶粒尺寸≥5nm。

17、作为本发明的实施方案，人造金刚石的晶粒的形貌包括单晶晶粒和由单晶晶粒形成的多晶晶粒。

18、本发明的第三方面，提供所述人造金刚石的应用，所述人造金刚石作为金刚石晶种用于制备金刚石。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、本发明将半导体pn结的光催化反应引入金刚石的合成反应中，利用半导体pn结在光催化激发后产生的具有强氧化性的空穴，与氧化剂共同作用，能够在室温室压下即可将碳源转化成金刚石。本发明的金刚石在整个结晶碳生长过程中均不需要极端条件（例如，非常高的电压、温度或压力），降低了成本。

技术特征：

1.一种人造金刚石的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述碳源为醇类化合物，所述醇类化合物包括碳原子数为1~5的小分子一元醇、小分子多元醇中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述氧化剂包括过氧化氢、氧气、过渡金属氧化物中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述碳源与氧化剂的重量比为：碳源：氧化剂=（0.1~20）：1。

5.根据权利要求1所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为25±10℃；所述反应的压力为1±0.02atm。

6.根据权利要求1所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述光照的波长为100~1500nm。

7.根据权利要求1所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述光照的强度为102~108lux。

8.根据权利要求1所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述半导体pn结包括gan、sic、sno2、bn、aln、alp、zno、zns、cds、金刚石中的至少一种。

9.根据权利要求8所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述半导体pn结还包括掺杂元素，所述掺杂元素包括mg、si、fe、n、p、al、b、ga、be中的至少一种。

10.根据权利要求8所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述半导体pn结还包括金属电极，所述金属电极中包括au、ag、cu、al、pt、zn、ti、sn中的至少一种元素。

11.根据权利要求1所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述碳化反应的时间为10~500h。

12.根据权利要求1所述的人造金刚石的制备方法，其特征在于，所述人造金刚石的产率≥5wt%。

13.一种人造金刚石，其特征在于，根据权利要求1~12任一项所述的制备方法制备得到。

14.根据权利要求13所述的人造金刚石，其特征在于，所述人造金刚石的单晶晶粒尺寸≥5nm。

15.根据权利要求13所述的人造金刚石，其特征在于，所述人造金刚石的晶粒包括单晶晶粒和由单晶晶粒形成的多晶晶粒。

16.权利要求13~15任一项所述的人造金刚石的应用，其特征在于，所述人造金刚石作为金刚石晶种用于制备金刚石。

技术总结
本发明提供一种人造金刚石的制备方法、制备得到的人造金刚石及其应用。本发明将半导体PN结的光催化反应引入金刚石的合成反应中，利用半导体PN结在光催化激发后产生的具有强氧化性的空穴，与氧化剂共同作用，能够在较低的温度和压力下即可将碳源转化成金刚石。本发明的金刚石在整个结晶碳生长过程中均不需要极端条件（例如，非常高的电压、温度或压力），降低了成本。

技术研发人员：刘富德,郑大伟
受保护的技术使用者：深圳道童新能源有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14