氢协同掺杂大尺寸功能金刚石单晶的高压合成与性质研究

金刚石是用途极为广泛的极限性功能材料。氢协同掺杂功能金刚石单晶的合成与性质研究一直是国际金刚石合成领域的关键科学问题，引起了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，通过优选适合氢协同掺杂的触媒溶剂和添加剂、调节各种添加剂的比例、优化合成工艺来制备具有优异光学和电学（高电导、半导体和超导）功能特性的氢协同硼、氮、硫和磷等掺杂的大尺寸（5mm以上）功能金刚石单晶。借助同步辐射X射线、离子束分析、原子隧道扫描技术、显微拉曼和红外光谱等先进的测试手段，深入研究氢在金刚石中的存在形式以及与其它协同掺杂元素的相互作用机制，重点研究氢的协同掺杂对金刚石功能特性的调制规律，开拓金刚石在光学和电学等领域的新的功能特性。该课题的深入研究不但有望制备出具有新颖光学和电学特性的新型功能金刚石单晶，而且对于揭示天然金刚石的成因机制以及深层次理解地幔乃至地核中的许多疑难问题具有重要意义。

金刚石是集最大硬度、最大热导率、最小压缩率、最宽透光波段、耐腐蚀、抗辐射、击穿电压高、介电常数小、载流子迁移率大等诸多优异性能于一体的极限功能材料。氢协同掺杂功能金刚石单晶的合成与性质研究一直是国际金刚石合成领域的关键科学问题，引起了各国学者的高度关注。本项目采用高温高压合成技术，通过优选适合氢协同掺杂的触媒溶剂和添加剂、调节各种添加剂的比例、优化合成工艺制备出了具有优异功能特性的系列氢协同掺杂大尺寸功能金刚石单晶。深入研究了氢在金刚石中的存在形式以及与其它协同掺杂元素的相互作用机制，重点研究了氢的协同掺杂对金刚石功能特性的调制规律，拓宽了金刚石新的功能特性和应用领域。具体研究内容包括：①优选了适合氢协同掺杂功能金刚石单晶合成的一系列掺杂添加剂，开展了系列氢协同掺杂功能金刚石大单晶的高温高压合成；②研究了各种合金触媒、含氢添加剂、掺杂剂及其含量以及合成工艺条件等对氢协同掺杂金刚石晶体生长的影响和触媒特性；③分析了合成的氢协同掺杂金刚石单晶中氢、硼、氮等掺杂元素的存在形式和相互作用机制；④研究了氢协同掺杂金刚石大单晶的生长机制；⑤对氢协同掺杂金刚石大单晶内部杂质元素、微观形貌等进行了测试分析，并对氢硼协同掺杂金刚石单晶的电学性质进行了测试表征。获得的重要研究成果包括：成功合成了氢-硼共掺杂、氢-氮共掺杂、氢-磷共掺杂、氢-硼-氮共掺杂金刚石单晶；阐明了合金触媒、含氢添加剂、各种掺杂剂对氢协同掺杂金刚石生长的影响；提出了氢协同掺杂金刚石大单晶的生长机制；确定了合成的氢协同掺杂金刚石中氢、硼、氮等掺杂元素的存在形式及相互作用机制；发现了氢硼协同掺杂金刚石的电导率由于氢的协同掺杂提升了一个数量级。相关研究成果已发表在Cryst. Growth Des.，Cryst.Eng.Comm., Diamond & Related Materials，Journal of Crystal Growth等金刚石领域国际权威学术刊物上，共发表标注本项目资助编号的SCI论文24篇。国内外金刚石领域的专家和学者对我们的研究成果给予了充分肯定。该项目的实施不但制备出了系列氢协同掺杂大尺寸金刚石单晶，拓宽了其应用领域，而且对于揭示天然金刚石的成因机制以及深层次理解地幔乃至地核中的许多疑难问题具有重要意义。