硼掺杂超导金刚石聚晶的高温高压制备与性能研究

Pure diamond is an insulator, it can be turned into a semiconductor with excellent electrical properties by doping trace elements. Since the first experimental observation of superconductivity in B-doped polycrystalline diamond was published in 2004, the synthesis and properties study on the boron-doped diamond superconductor has attracted significant interest in the field of superconductivity and superhard materials. Boron-doped polycrystalline diamond bulk materials with excellent superconducting electrical properties will be prepared by the direct conversion of boron-doped nano-diamond powder as a starting materials under high temperature and high pressure conditions（~25GPa，~2500℃）. In this project, we will study the boron concentration, existence form, distribution and influences of boron on the lattice structure by nuclear magnetic resonance spectrometer (NMR), micro-Raman, fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and other advanced test methods. The modulation of boron impurity on the superconducting critical temperature and the microstructure of boron-doped superconducting diamond will be further studied. The in-depth study of this subject is not only promising to prepare diamond superconductor with excellent electrical properties, but also lay a foundation for the application of superconducting diamond materials in electronic devices.

纯净的金刚石是绝缘体，可以通过微量元素掺杂获得极其优异的电学性能。自2004年首次发现硼掺杂金刚石具有超导性质后，硼掺杂金刚石超导体的制备与性能研究一直是国际超导、超硬材料制备领域的研究热点，引起各国学者的高度关注。本项目将借助高温高压极端合成条件（~25GPa，~2500℃），以纳米硼掺杂金刚石微粉为先驱物利用超高压条件以直接转换方式制备具有优异超导电学性能的硼掺杂金刚石聚晶体材料。借助核磁共振波谱仪、显微拉曼、傅里叶红外光谱等先进测试手段，深入研究硼在金刚石晶格结构中的浓度、存在形式、分布及对晶格结构的影响规律，重点研究硼杂质对金刚石超导临界转变温度的调制规律，以及硼掺杂金刚石的微观组织结构。该课题的深入研究不但有望制备出具有优异电学性能的金刚石超导体，也为新型金刚石超导材料在电子器件方面的应用奠定基础。

金刚石聚晶作为一种新型超硬材料，在精密光学、半导体材料、高精密加工，特别是在微电子器件开发方面具有诱人的应用前景。国外在超导金刚石的制备和形成机制上已经取得了重要进展，已经制备出超导转变温度在4K左右的金刚石聚晶材料，但国内没有相关研究同时国内外对金刚石超导存在诸多疑问。本项目采用具有独特优势的高温高压金刚石单晶和聚晶制备技术，开展了优质金刚石单晶和金刚石聚晶的高温高压制备研究，对所制备的金刚石单晶和聚晶进行了掺杂成分、晶体结构和微观组织的表征以及性能的测试，并系统研究了合成压力、温度、掺杂等对其生长特性的影响机制和调制规律。获得成果包括（1）通过对掺杂金刚石进行高温高压退火，发现氢的存在能够促进氮在金刚石晶格内的聚集，在国际上首次制备出“类天然”钻石；（2）研究了地质矿物普遍存在元素硅以及硅酸盐对金刚石单晶生长以及性能的影响，发现适量硅掺杂能够提供金刚石生长质量；（3）通过高温高压退火处理 含氮镍杂质元素金刚石制备了优质NE8色心金刚石，可用于量子信息开发；（4）基于上述优质金刚石单晶合成基础，通过使用含硼纳米金刚石经过超高压高温烧结制备了具有高电导率、高于单晶硬度的金刚石聚晶，通过测试发现以该方式制备的金刚石聚晶，因存在纳米尺寸效应抑制塑性变形的发生，使纳米金刚石晶粒间不能实现完全的D-D键合，因此没有检测到超导转变。已取得研究成果对优质金刚石生长以及电学功能金刚石聚晶的制备具有一定指导意义，相关研究成果对河南金刚石企业技术升级有极大促进作用，相关研究成果已发表在Crtstal Growth&Design、CrystalEngComm等国际学术刊物上。