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往金刚石里掺点“硼”,会发生什么?
2021年01月21日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:459
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金刚石是一种由碳元素组成的矿物,除了最出名的高硬度外,同时还拥有十分特殊,非比寻常的物理、机械和光学特性,因此其用途很早以前就不再局限于装饰品——由于硬度高,可用于切削、磨削、钻探;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板;优良的透光性和耐腐蚀性,也使得它在电子工业中得到了广泛应用。

金刚石

对于纯净的金刚石而言,由于它内部没有自由移动的电子具有5.5ev的宽禁带,因此电阻率很高可作良好的电绝缘体;不过当金刚石中掺入第族或者第族元素后,掺杂后的金刚石除了具有普通金刚石的性能外,会转变为半导体材料——比如说含硼金刚石抗氧化性、化学惰性以及半导体性能等方面就得到了显著的提高,在高温、大功率电子器件的应用方面具有极大发展前景。

加入“硼”后金刚石的变化

当纯净的金刚石中掺进硼时,含硼金刚石的导电性、耐腐蚀、抗氧化等性能相比于普通金刚石晶体大幅提升,结构示意图如下图所示,从中不难看出含硼金刚石和普通金刚石的主体结构相似,但是由于碳原子的一些位置上被硼原子替代,使其具有了不同的原子结构。原本普通金刚石的表面结构存在没有利用的价电子,较容易被氧化。而硼原子的掺入使得金刚石的多余价电子被结合,使得含硼金刚石结构没有悬挂键,形成了硼碳原子相结合的共价键并具有稳定的状态。

金刚石

含硼金刚石晶体中的硼含量一般很低,但对改善和提高金刚石晶体性能的影响是显著的。研究结果表明,硼元素对金刚石的影响主要在以下几个方面:

颜色在显微镜下观察,金刚石由于硼含量浓度的不同,分别呈无色、蓝色或黑色。蓝色金刚石晶体在电子工业中用作半导体材料,其它颜色晶体常用作磨料与工具材料。

耐热性含硼金刚石的表面起始氧化温度比普通金刚石的高150~250。其原因是因为硼原子与金刚石表面上的碳原子成键时形成硼碳结构,没有多余价电子与外来缺电子原子如氧原子发生反应,金刚石处于稳定状态,晶体的耐热性提高。但晶体内硼原子含量的变化,会使表面起始氧化温度有所不同。

冲击韧性冲击韧性是检测金剐石质量水平的重要手段之一。黑色含硼会刚石工具有良好的冲击韧性,车刀在载荷断续切削共晶硅铝合金、粉末钛合金、玻璃钢等材料时很少崩刃。

耐磨性含硼金刚石晶体的耐磨性和研磨能力好,特别适用于研磨硬而韧的材料,可用作耐磨涂层、磨料、钻头、切削刀具等。

化学惰性用黑金刚石聚晶做成的车刀,可以切削高硬度的淬火钢材。在切削过程中与铁的粘连现象比普通金刚石刀具小,不粘刀,不形成切削瘤,工件的加工质量显著提高。这是因为普通金刚石表面的碳原子与铁族金属表面上的缺电子原子相互靠近时,可以相互联结成键,产生粘连作用而含硼金刚石表面的硼原子因为没有多余的价电子与铁族金属表面上的对应原子相互联接成键,所以不会产生粘刀现象,这与含硼金刚石具有良好的耐热性在本质上是一样的。

半导体性能金刚石晶体中掺入硼、氮或磷元素之后,可由绝缘体转变为半导体甚至导体。具有三个价电子的硼原子进入金刚石晶格后会以替位形式取代碳原子成为受主中心,晶格中产生空穴载流子,金刚石成为空穴半导体,这种掺杂称为P型掺杂。硼在金刚石中的杂质能级位于价带顶上方0.37eV处,是浅受主杂质。随硼含量的增加,金刚石的电导率增加。对掺硼的金刚石薄膜的分析结果表明,掺硼浓度达到1020cm-2的金刚石,在室温下空穴迁移率可达到 1500cm²v-1s-1,电阻率为 10-²Ωcm

掺硼金刚石的制备与应用

由于天然的含硼金刚石仅占天然金刚石总量的1~2%,因此如何用人工方法合成出高质量的含硼金刚石是各位生产者和使用者追逐的目标。目前含硼金刚石单晶大多采用掺硼石墨或掺硼触媒在铰链式六面顶压机超高温高压装置上进行合成。其中掺硼触媒的制备方法有:粉末冶金法和触媒片渗硼法。

金刚石

由于含硼金刚石在耐热性、耐磨性、化学惰性、抗氧化性以及抗压强度等方面均优于普通金刚石,因此近年来随着现代化工业的飞速发展,含硼金刚石在各个行业都显示出巨大的应用前景,逐渐成为了研制电子发射电极、光探测器、场效应晶体管和真空隧道显微镜探针等设备的理想材料,尤其是其超导性质的发现,更加扩展了含硼金刚石的利用前景。此外,其良好的耐磨和研磨的特点,也使得含硼金刚石在应用于研磨的硬韧材料等方面在工业应用领域具有极高的利用价值

资料来源:

硼掺杂金刚石结构设计和耐热性研究,李佳惠。

含硼金刚石单晶的微观结构性能与合成机理的研究,宫建红。

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