硅掺杂对高温高压合成金刚石的影响

金刚石具有极其优异的性能，例如硬度最高和导热率最大，透光带最宽以及耐酸碱腐蚀性能强。此外，金刚石的色心(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，使其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)的人提供一种理想的初始材料。

另一方面，天然钻石形成于地球深处，Si是岩石和矿物中含量很高的元素。因此，与Si有关的杂质广泛存在于天然钻石中。因此，在高温高压（HPHT）条件下对硅掺杂金刚石进行研究，不仅有利于考虑金刚石功能化的扩展，而且有助于探讨Si对自然金刚石生长的影响。 

郑州大学房超等利用国产立方高压装置进行金刚石合成的高温高压实验，在具有温度梯度的种子上进行金刚石生长。将硅粉（Si浓度0.25-8wt％）在高温高压条件下添加到镍基金属催化剂中，以研究其对大型单晶金刚石生长的影响。 

图1. HPHT合成的金刚石图：（A）合金锤+叶蜡石组装块；（二）样品组装：1.钢盖；2.袖子      3.碳源；4.合成水晶；5.石墨加热器；6。叶蜡石 7.保温柱；8.镍基金属催化剂；9.籽晶。

     图2 由具有Si添加剂的Ni基金属催化剂体系合成的金刚石晶体的光学图像：(A)0.25wt%；(B)0.5wt%；(C)1.0wt%；(D)2.0wt%；(E)3.0wt%；(f−j)与(a−e)的侧视图相对应。

    图3 含Si添加剂的Ni基金属催化体系合成的金刚石晶体光学图像为：(a)4.0wt%；(b)5.0wt%；(c)6.0wt%；(d)8.0wt%；(e−g)对应于(a−c)的侧视图；(h)对应于(d)的                                                       局部放大视图。

根据以上光学照片和实验结果的分析可以看出，Si含量的增加导致金刚石夹杂物的分布遵循点状→片状→线状趋势。

最终结果表明，高Si含量的完整晶体很难生长。Si对镍基金属催化剂中金刚石的质量有显著影响，因此，优化催化剂的选择是未来生长高质量掺硅大单晶金刚石的关键因素之一。 

房超等通过实验研究还发现，Si掺杂会增加了晶体内部的应力，影响金刚石的晶体质量，但是可以通过降低合成环境中的氮浓度，从而提高掺Si金刚石的质量。 本文通过探讨研究Si添加下金刚石的合成与生长特性，为今后工业化合成高质量金刚石提供了有价值的参考。（中国超硬材料网编译整理）