一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法

本发明属于晶体生长中的金刚石单晶生长，具体涉及一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法。

背景技术：

1、含硼金刚石晶体的耐热性、化学惰性及抗压强度等均不同程度地优于常规金刚石。此外，含硼金刚石还具有优异的半导体性能，制作的电力电子器件可以在极端温度和恶劣环境下正常工作，是一种有发展前途的高温、大功率半导体材料。含硼金刚石的表面结构与常规金刚石的表面结构有本质的不同，硼与金刚石表面的碳原子形成新的硼碳结构，并处于稳定状态，使其成为一种优秀的吸附材料，催化材料和过滤材料，电极污水处理材料等。为了满足含硼金刚石材料的许多新的和潜在的应用，有必要在其表面创造具有一定形貌和粗糙度的结构，从而提高含硼金刚石表面功能的灵活性、高表面积体积比和自锐性。

2、目前，大多数研究都是围绕含硼金刚石的抗氧化性、耐磨性以及电学性质展开的，有关硼对大尺寸金刚石单晶生长及表面形貌影响的报导较少。晶体的形貌与其内部的结构具有一定的相关性，晶体的表面形貌是晶体生长过程中遗留下来的痕迹，从一定的程度上可以辅助研究晶体的生长机理。因此，对材料表面形貌以及微观形貌的研究同样具有重要的意义。宫建红等通过对含硼金刚石表面形貌研究发现，含硼金刚石表面存在蚀坑，球形颗粒集团，平行台阶，花瓣状生长丘和三角形螺旋台阶等多种表面形貌。blank vd等人研究了bdd的结构特征，证明了硼在金刚石晶格畸变区域的存在。zhang j q等人提出“秃点”模型解释了含硼金刚石晶面生长速度差异与表面缺陷产生的原因。但是，以上研究都是在高氮杂质存在的环境中生长的金刚石晶体，对于低氮环境下生长的含硼金刚石大单晶的表面缺陷结构、形貌特征等尚不清楚。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于提供一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，以解决对低氮环境下生长的含硼金刚石大单晶的表面缺陷结构、形貌特征进行调控的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，包括以下步骤：

4、a、构建反应体系

5、采用高温高压温度梯度法合成大尺寸硼掺杂金刚石大单晶，自腔体的高温端向低温端依次排列碳源11、触媒5、晶种6和mgo+zro2晶床13；碳源11是以高纯石墨粉与高纯tib2粉末混合压制成而成，触媒5为feni合金，晶种6的{111}面为生长面；其中，腔体的中心温度为1300℃-1400℃，高压为5.6gpa；

6、b、tib2对晶体中氮浓度的调控

7、在步骤a的feni-c体系中添加0-5wt.％tib2合成出从黄色、浅黄色、浅黄-浅蓝至黑色的六-八面体金刚石晶体，其中，腔体的中心温度为1340℃，反应时间为12h；

8、c、tib2对金刚石生长特性及形貌的调控

9、在步骤a的feni-c体系中添加0-50wt.％tib2合成出由六-八面体至八面体的金刚石晶体，其中，腔体的中心温度为1360℃，生长时间为24h。

10、进一步地，步骤a，所述晶种6的尺寸为0.8mm-1mm。

11、进一步地，步骤a，压制好的碳源11组装在合成腔体中，每个样品组装块在120℃干燥半小时后，再进行高压合成。

12、进一步地，步骤b，所述高纯石墨粉与高纯tib2粉末的重量比为0wt.％时所制金刚石晶体为黄色，重量比为1wt.％时所制金刚石晶体为浅黄色，重量比为2wt.％、3wt.％时所制金刚石晶体为浅黄-蓝色，重量比为4wt.％时所制金刚石晶体为浅黄-蓝色，重量比为5wt.％时所制金刚石晶体为黑色。

13、进一步地，步骤c，所述高纯石墨粉与高纯tib2粉末的重量比为0wt.％、10wt.％、20wt.％时所制金刚石晶体为六-八面体，重量比为30wt.％、40wt.％、50wt.％时所制金刚石晶体转变为八面体。

14、更进一步地，步骤c，所述高纯石墨粉与高纯tib2粉末的重量比大于20wt.％时金刚石表面出现大量三角形凹坑缺陷，包括点底、偏心点底以及面底特征。

15、更进一步地，所述高纯石墨粉与高纯tib2粉末的重量比由30wt.％调整至50wt.％时，三角形凹坑缺陷的边长为由2.85μm减小到1.09μm，深度由590nm减小到50nm，晶体表面粗糙度rq也由145.302nm降低到6.896nm。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、本发明通过在feni-c体系中通过引入tib2，在高温高压条件下生长出一批含硼金刚石大单晶，并对合成晶体中硼氮杂质浓度，晶体结晶质量，晶体表面形貌、晶面缺陷等性质特征进行了详细地研究，可通过调节tib2的掺杂量，直接调控大尺寸含硼金刚石单晶表面的缺陷大小，深度和密度，为含硼金刚石的表面处理提供新思路。

技术特征：

1.一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，其特征在于：步骤a，所述晶种6的尺寸为0.8mm-1mm。

3.根据权利要求1所述的一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，其特征在于：步骤a，压制好的碳源11组装在合成腔体中，每个样品组装块在120℃干燥半小时后，再进行高压合成。

4.根据权利要求1所述的一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，其特征在于：步骤b，所述高纯石墨粉与高纯tib2粉末的重量比为0wt.％时所制金刚石晶体为黄色，重量比为1wt.％时所制金刚石晶体为浅黄色，重量比为2wt.％、3wt.％时所制金刚石晶体为浅黄-蓝色，重量比为4wt.％时所制金刚石晶体为浅黄-蓝色，重量比为5wt.％时所制金刚石晶体为黑色。

5.根据权利要求1所述的一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，其特征在于：步骤c，所述高纯石墨粉与高纯tib2粉末的重量比为0wt.％、10wt.％、20wt.％时所制金刚石晶体为六-八面体，重量比为30wt.％、40wt.％、50wt.％时所制金刚石晶体转变为八面体。

6.根据权利要求5所述的一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，其特征在于：步骤c，所述高纯石墨粉与高纯tib2粉末的重量比大于20wt.％时金刚石表面出现大量三角形凹坑缺陷，包括点底、偏心点底以及面底特征。

7.根据权利要求6所述的一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，其特征在于：所述高纯石墨粉与高纯tib2粉末的重量比由30wt.％调整至50wt.％时，三角形凹坑缺陷的边长为由2.85μm减小到1.09μm，深度由590nm减小到50nm，晶体表面粗糙度rq也由145.302nm降低到6.896nm。

技术总结
本发明涉及一种调控大尺寸硼掺杂金刚石大单晶表面结构的方法，包括构建反应体系，采用高温高压温度梯度法合成大尺寸硼掺杂金刚石大单晶；TiB<subgt;2</subgt;对晶体中氮浓度的调控，添加0‑5wt.％TiB<subgt;2</subgt;合成出从黄色、浅黄色、浅黄‑浅蓝至黑色的六‑八面体金刚石晶体；TiB<subgt;2</subgt;对金刚石生长特性及形貌的调控，添加0‑50wt.％TiB<subgt;2</subgt;合成出由六‑八面体至八面体的金刚石晶体。本发明通过在FeNi‑C体系中通过引入TiB<subgt;2</subgt;，在高温高压条件下生长出一批含硼金刚石大单晶，可通过调节TiB<subgt;2</subgt;的掺杂量，直接调控大尺寸含硼金刚石单晶表面的缺陷大小，深度和密度，为含硼金刚石的表面处理提供新思路。

技术研发人员：陈良超,房超,熊志文,贾晓鹏
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29