宝石及材料工艺学宝石合成期末复习资料

宝石及材料工艺学宝石合成期末复习资料内容摘要：

，应用广） ；  弱酸（ H2CO3， H3BO3， H3PO4， H2S）的碱金属盐；  强酸的盐；  无机酸 6． 水热结晶影响因素 ： （ 1） 晶体 生长速率的各向异性 相同水热条件各晶面生长速率不同。 不同取向籽晶不但影响晶体的生长速率，还影响晶体的完整性。 （ 2）结晶温度与温差 晶体生长速率一般随结晶温度升高而增加；一般情况，温差越大，生长区溶液的过饱和度越大，晶体生长速率越大。 （ 3） 结晶 压力与溶剂填充度 填充度 = 溶液体积 /高压釜反应腔自由体积 =溶液体积 /（反应腔总体积 —固体物体积） 压力是溶剂及其浓度、初始填充度、温度、和温差的函数。 增大溶剂填充度，可直接提高压力。 增加压力可提高晶体的生长速率。 一般溶剂填充度不超过 86% （ 4）缓冲器 缓冲器（对流挡板）：上有圆孔，调整溶液对流状态 ，孔洞面积与挡板面积之比为开孔率。 缓冲器将高压釜的生长区与溶解区分隔开，可以增大两区间的温差，从而提高晶体的生长速率；使整个生长区达到比较均匀的质量传输状态，使生长区上下部晶体生长速率相近。 （ 5）溶剂的成分及浓度 矿化剂种类：  碱金属及铵的卤化物（有效，应用广）；  碱金属的氢氧化物（有效，应用广） ；  弱酸的碱金属盐（弱酸 H2CO3， H3BO3， H3PO4， H2S）；  强酸盐；  无机酸 增加矿化剂的浓度，一般能提高晶体的溶解度及生长速率。 但过高的溶剂浓度与溶液浓度使溶液的粘度与密度增加，影响溶液的对流，不利于晶体生长。 水晶矿化剂： NaOH + KOH 红宝石矿化剂： NaHCO3 + KHCO3 （ 6）培养料与籽晶  培养料纯度高， %以上。  培养料应有足够的数量和线度以供生长时的需要。 培养料的溶解表面积与籽晶生长表面积之比影响晶体的生长速率。 在相同的生长参量下，生长速率与籽晶面积成反比（釜内籽晶挂得少，其生 长速率要大）。 生长过程中，上述比值会变化，生长速率也可能发生变化。  籽晶无宏观缺陷、无孪生，位错密度低。 第五章 高温高压 合成金刚石 1． 合成金刚石 分类： 人造金刚石的具体方法很多，按生长机制可归纳为直接法、触媒法和外延生长法；按合成技术特点可分为静压法、动压法和低压法。 工业上采用的是静压触媒法和动压法，合成宝石级金刚石方法目前仅限于静压晶种触媒法。 气相沉淀法是目前金刚石多晶制备的一类主要方法，可用于对钻石和其他宝石镀膜，以改善宝石的外观。 2． 人工合成金刚石 ，其本质是使非金刚石结构的碳相变为金刚石结构的 碳。 根据钻石 石墨的相平衡图，在常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，而钻石是一种亚稳定状态。 在常温常压下破坏钻石中的 CC 键需要很高的能量，因此，钻石不会自动转变为石墨。 在高温高压下，石墨的中的碳原子会重新按钻石的结构排列，而形成钻石。 在触媒法中，通过压力、温度和触媒的复合激发作用，使碳质原料激发成 sp3 型杂化状态，成为合成金刚石的碳源。 金属触媒的主要作用是降低石墨向钻石转化的温度和压力条件，提高转化率。 3． 宝石级金刚石的合成设备 ： 静态高温高压生长晶体的设备由油压机系统、高压容器、加热系统和测试 控制系统组成。 高压容器是静态超高压设备的核心部分，主要类型有两面砧式、四面砧式和六面砧式。 实际用于合成金刚石的高压容器主要是年轮式两面砧高压容器和铰链式六面砧高压容器。 4 合成钻石 晶体控制 : （ 1）合成钻石晶体形态主要为立方体与八面体的聚形。 合成时的温度对形态有一定的影响。 温度较低（ 1300 ℃）时，以立方体为主，温度较高（ 1600 ℃）时以八面体为主。 （ 2）合成钻石的颜色和类型也可以控制。 因为生长舱内充满了空气，空气中含有氮，所以大多数合成钻石都是含孤氮的 Ib 型钻石，为黄到褐色；如果在反应舱内放一些 氮的吸收剂，如锆或铝，则可以获得无色的不含氮的 Ⅱ a 型钻石；如果同时再加入一些硼，则可合成出含硼的蓝色Ⅱ b 型的钻石。 第六章 化学沉淀法 气相外延生长制备金刚石多晶薄膜 外延法合成金刚石，主要是各种化学气相沉积（ CVD）法。 . 基本原理： 通过加热、放电、激光辐照等方式激活所用的反应气体，气相碳源吸收能量后电子从低能态转移到高能态，促使碳原子及其基团形成 sp3 型或其过渡型杂化状态，形成金刚石的生长基元。 包括：热解 CVD 法、等离子体 CVD 法、火焰 CVD 法等。 . 等离子 体 CVD 法 ： 等离子体 CVD 法包括直流等离子体 CVD、射频等离子体 CVD、微波等离子体 CVD 等几种方法。 基本原理是把气相原料等离子化，形成等离子气体，其中所含的各种状态游离基促使在基片上沉积生长出金刚石多晶薄膜。 气相外延生长单晶金刚 石 若基片是钻石单晶体，基片切成薄板状，其顶、底面大致平行于钻石的立方体面（ {100}面）。 基片起到了籽晶的作用，激发态碳源以同一结晶方向沉积生长出单晶体钻石。 合成碳化硅 1893 年， Edward G. Acheson 试图通过对碳和粘土放电生长金 刚石，结果偶然制备了碳化硅。 由于 SiC 的硬度很大，被大量地作为磨料。 天然的碳化硅是 1904 年最先由莫依桑发现于亚利桑那的陨石中，自然界极为稀少。 早在 1955 年 Lely 就利用气相升华法生长出大颗粒的莫依桑石，这种技术被称为 Lely技术，但获得的是六方、三方和立方晶系的多型混合物，主要用作工业磨料和半导体材料。 大约于二十世纪九十年代晚期，通过利用选定多型的定向种晶，生长出只由一种多型，即 6HSiC 或 4HSiC，构成的大单晶体。 碳化硅结构单元层的叠置顺序变化丰富，具有 1。