Li3N-hBN体系引入添加剂合成优质cBN单晶的研究

论文摘要

Li3N-hBN体系引入添加剂合成优质cBN单晶的研究作为cBN单晶的生长来说,目前主要采用的方法是高温高压法,即在高温高压有触媒的作用下完成对cBN单晶的生长。CBN在高压下的直接转变条件约为11.5 GPa、2000 K,在有触媒的情况下cBN的生长条件有大幅度的降低,通常情况下大约为4.5-6.5 GPa、1300-2000℃。相对于金刚石的人工合成来说,cBN的合成压力相对较低,合成温度相对较高,处在一个低压高温的合成状态。所以在工业上生产cBN的仪器损耗相对金刚石的合成仍然较高。目前用于高温高压法合成cBN的触媒有几十种,主要有碱金属、碱土金属以及它们的氮化物和硼氮化物,这些触媒合成cBN单晶时的转化率相对较高,得到的晶体质量相对较好,是目前工业上合成cBN单晶的主要触媒,但是这些触媒存在不易保存、成本较高等缺点;一些金属单质和合金也可以作为合成cBN的触媒,例如锡、镍、镍铝合金、铁铝合金等,均可以作为合成cBN的触媒,这些触媒容易保存,成本也低,但是由于合成cBN的转化率不高,晶体质量差,因此还不能用于cBN的产业化生产;还有一些铵盐、酸类亦能作为合成cBN的触媒,而且合成cBN条件相对较低,但是在合成过程中容易产生气体引起“放炮”,损坏设备,也不适合商业化生产。由于受cBN生长机理理解的限制,目前我国对cBN单晶生长触媒的研究处在一个停滞的阶段,在新型触媒没有诞生之前,在体系中引入添加剂就成了改善cBN生长条件和环境、生长不同类型cBN单晶的一个重要的手段。本文主要以cBN的溶剂理论作为指导,借鉴cBN合成的一般规律,在Li3N-hBN体系中引入不同添加剂来考察其对cBN合成条件和单晶质量的影响。首先考察了氟元素对cBN的合成研究。有一些文献报道了氟元素的引入可以显著的提高cBN单晶的质量,并且可以降低cBN的合成温度,但是由于技术的保密性,这些文献既没有报道具体使用了哪些氟化物,也没有报道对cBN合成的具体影响。本文选择了碱金属和碱土金属的氟化物（LiF、CaF2和MgF2）作为添加剂来考察氟对cBN合成的影响。而且,这些氟化物的阳离子都是合成cBN的触媒元素,这些物质既能引入氟离子而又不会引入其他无关的杂质元素,并且在高温高压下不会分解产生气体,是一种理想的氟化物添加剂。实验发现,这三种氟化物的引入使cBN的合成温度有大幅度的下降,压力也略有下降,并且晶体的质量也有了很大的改善,我们对这些结果作了分析。之后,选择了三种在元素周期表中与碱（土）金属元素相近的三种元素考察其对cBN单晶合成的影响,这些物质对硼元素和氮元素都有很高的化学活泼性,并且它们的一些化合物还是合成cBN的触媒,因此,这些物质的引入对cBN单晶的合成有着重要的影响和积极的意义。实验发现,不同这三种元素的引入容易合成出不同形貌、不同颜色的cBN单晶。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 氮化硼简介
• 1.1.1 BN 的性质
• 1.1.2 BN 的用途
• 1.1.3 BN 的分类和结构
• 1.2 立方氮化硼简介
• 1.2.1 cBN 的性质
• 1.2.2 cBN 的分类和用途
• 1.3 cBN 的合成研究.
• 1.3.1 cBN 的合成方法及发展
• 1.3.2 高温高压法合成cBN
• 1.4 本论文的出发点及主要内容
• 第二章 高温高压技术及精密化控制
• 2.1 引言
• 2.2 常见的静态高温高压设备
• 2.3 铰链式国产六面顶压机
• 2.3.1 铰链式国产六面顶压机简介
• 2.3.2 铰链式国产六面顶压机的结构与特征
• 2.3.3 铰链式国产六面顶压机的压力和温度系统
• 2.3.4 高温高压实验过程中压力和温度的标定
• 2.4 人工合成cBN 的传压介质
• 3N-hBN 体系合成cBN'>第三章 Li₃N-hBN 体系合成cBN
• 3.1 引言
• 3.2 实验原料及组装的确定
• 3.2.1 实验原料的准备
• 3.2.2 cBN 高温高压实验前样品的准备步骤
• 3.2.3 实验组装的确定
• 3N-hBN 体系合成cBN 的一般规律'>3.3 Li₃N-hBN 体系合成cBN 的一般规律
• 3N-hBN 体系合成cBN 的P-T 条件'>3.3.1 Li₃N-hBN 体系合成cBN 的P-T 条件
• 3.3.2 实验样品的后期处理
• 3N-hBN 体系合成出的cBN 单晶的特征'>3.3.3 Li₃N-hBN 体系合成出的cBN 单晶的特征
• 3N-cBN 之间的反应'>3.4 Li₃N-cBN 之间的反应
• 3.5 小结
• 3N-hBN 体系掺杂金属氟化物合成cBN'>第四章 Li₃N-hBN 体系掺杂金属氟化物合成cBN
• 4.1 引言
• 4.1.1 金属氟化物的选择
• 4.1.2 碱（土）金属氟化物的结构和性质
• 3N-hBN 体系掺杂碱（土）金属氟化物合成cBN'>4.2 Li₃N-hBN 体系掺杂碱（土）金属氟化物合成cBN
• 3N-hBN 体系掺杂氟化物对合成cBN 条件的影响'>4.2.1 Li₃N-hBN 体系掺杂氟化物对合成cBN 条件的影响
• 3N-hBN 体系掺杂氟化物对合成cBN 转化率的影响'>4.2.2 Li₃N-hBN 体系掺杂氟化物对合成cBN 转化率的影响
• 3N-hBN 体系掺杂氟化物对合成cBN 质量的影响'>4.2.3 Li₃N-hBN 体系掺杂氟化物对合成cBN 质量的影响
• 4.3 小结
• 第五章 碱（土）金属氟化物对cBN 晶体表面的侵蚀作用
• 5.1 引言
• 5.2 cBN 晶体表面的基本特征
• 5.3 碱（土）金属氟化物对cBN 表面侵蚀的特征
• 5.3.1 LiF 对cBN 晶体表面的侵蚀特点
• 2 对cBN 晶体表面的侵蚀特点'>5.3.2 CaF₂ 对cBN 晶体表面的侵蚀特点
• 2 对cBN 晶体表面的侵蚀特点'>5.3.3 MgF₂ 对cBN 晶体表面的侵蚀特点
• 5.4 三种氟化物侵蚀cBN 表面的原理与特征比较
• 5.4.1 碱（土）金属氟化物对cBN 晶体表面侵蚀的原理
• 5.4.2 碱（土）金属氟化物对cBN 晶体表面侵蚀特征比较
• 5.5 小结
• 3N-hBN 体系中引入Al、Ti、B 合成cBN'>第六章 Li₃N-hBN 体系中引入Al、Ti、B 合成cBN
• 6.1 引言
• 6.2 添加剂Al、Ti、B 的基本性质
• 6.2.1 Al 的基本性质.
• 6.2.2 Ti 的基本性质
• 6.2.3 B 的基本性质
• 3N-hBN-Al 体系合成cBN 单晶'>6.3 Li₃N-hBN-Al 体系合成cBN 单晶
• 6.3.1 添加Al 对合成cBN 温度的影响
• 6.3.2 添加Al 合成出的cBN 单晶的基本特征
• 3N-hBN-Ti 体系合成cBN 单晶'>6.4 Li₃N-hBN-Ti 体系合成cBN 单晶
• 6.4.1 添加Ti 对cBN 成核的影响
• 6.4.2 添加Ti 合成出的cBN 单晶的基本特征
• 3N-hBN-B 体系合成cBN 单晶'>6.5 Li₃N-hBN-B 体系合成cBN 单晶
• 6.5.1 添加B 对合成cBN 参数的影响
• 6.5.2 添加B 合成出的cBN 单晶的基本特征
• 6.6 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢