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       高壓高溫合成得到的單晶金剛石可用作化學氣相沉積金剛石的襯底，也是制作光學元件和下一代電子器件的很有前途的材料。高純金剛石還被應用于量子計算、量子網絡和高精度的電磁傳感器。金剛石合成方法已經取得了很大進展，但高質量單晶金剛石的合成仍然是一個挑戰。
       金剛石晶格中的晶體缺陷會導致電流泄漏和較低的擊穿電壓，并可能影響光傳播和氮空位中心的應用。迄今為止，即使是通過高溫高壓或化學氣相沉積法合成的最純凈的IIa型金剛石，其晶格中也含有層錯、位錯線和延伸的缺陷。因此，必須消除這些缺陷才能合成高純度金剛石。
       Fe，Co，Ni或它們的合金是高溫高壓合成金剛石的主要催化劑。其中，Ni和Co很容易通過取代作用而摻入金剛石晶格中，但摻入Fe要困難得多。因此，鐵基催化劑合金是合成高純度金剛石的最有前途的，但在使用這些材料合成的較大金剛石中經常發現絲狀缺陷。金剛石中絲狀缺陷的來源尚不清楚，也沒有消除這些缺陷的方法的報道。因此，了解金剛石中絲狀缺陷的形成機理并采取有效措施消除或減少絲狀缺陷發生至關重要。
       深圳大學陳寧、張國慶等通過使用Fe64Ni36作為催化劑在5.5 GPa的壓力和1250至1300°C的溫度下合成了Ib型金剛石，觀察到快速冷卻合成的金剛石中普遍存在絲狀缺陷。

圖1金剛石合成的示意裝配圖：1.立方體葉蠟石塊；2.白云石管；3. NaCl + ZrO2管；4. ZrO2 + MgO管；5.Fe64Ni36催化劑合金；6.種子金剛石；7.石墨加熱器管；8.白云石柱；9.鋼帽；10.銅板；11. ZrO2 + MgO柱；12.碳源；13.合成鉆石；14. ZrO2 + MgO種子床；15.石墨片。

       圖2通過傳統的快速冷卻技術在不同的合成溫度下合成的金剛石的光學顯微鏡圖像：（a）和（a'）1250°C；（b）和（b'）1270°C；（c）和（c'）1300°C。
       表1. 5.5 GPa Fe64Ni36-C系統中傳統快速冷卻金剛石合成實驗的結果和詳細信息

       金剛石合成完成后，需要將合成組件的溫度從金剛石合成溫度降低到150°C左右，才能安全卸載高壓。在合成組件冷卻期間，熱彈性應力從金剛石內部釋放。當冷卻時間長達數分鐘（傳統的快速冷卻技術）時，沒有足夠的時間來消除金剛石內部的熱彈性應力，可能導致絲狀缺陷的產生。
       此外，傳統的快速冷卻過程還導致催化劑合金和晶種床在金剛石內部產生較高的熱彈性應力。
       因此，陳寧、張國慶等認為冷卻時間較長的梯度冷卻技術可能是減少金剛石絲狀缺陷的一種有效方法。為了驗證這一假設，他們還使用梯度冷卻技術進行了60、180和300分鐘的冷卻時間的金剛石合成實驗。

       圖3顯示了E-1至E-6實驗中的梯度冷卻速率。傳統快速冷卻技術的冷卻速度約為373.33°C / min（圖3a）。E-4至E-5實驗中的冷卻速率分別約為18.67°C / min，6.22°C / min和3.73°C / min（圖3b-d）。圖4顯示了使用梯度冷卻技術獲得的鉆石的OM圖像。圖4a-c是頂視圖OM圖像，圖4a'-c'是在透射光模式下合成鉆石的側視圖圖像。當將梯度冷卻時間設置為60分鐘時，在圖4a中觀察到的絲狀缺陷少于圖2b。隨著梯度冷卻時間增加到180分鐘，在圖4b和圖4b'中僅觀察到少量絲狀缺陷。比較圖4和圖2，大多數絲狀缺陷的取向垂直于{100}面。當梯度冷卻時間增加到300分鐘時，絲狀缺陷被完全消除，形成了黃色透明的鉆石晶體，如圖4c和4c'所示。

圖3 E-1至E-6實驗中的梯度冷卻速率：（a）3分鐘，用于E-1至E-3實驗；（b）60分鐘，進行E-4實驗；（c）180分鐘，進行E-5實驗；（d）300分鐘，用于E-6實驗。

圖4通過梯度冷卻技術以不同的梯度冷卻時間合成的鉆石的光學圖像：（a）和（a'）60分鐘，來自E-4實驗；（b）和（b'）180分鐘，來自E-5實驗；（c）和（c'）300分鐘，來自E-6實驗。

表2 Fe64Ni36-C系統在5.5 GPa和1270°C下使用梯度冷卻技術進行金剛石合成實驗的結果和細節

       實驗結果表明，采用傳統快速冷卻工藝合成的立方、立方八面體和八面體金剛石的內部均存在絲狀缺陷。梯度冷卻技術可以減少金剛石由于熱彈應力造成的損傷。隨著梯度冷卻時間的延長，金剛石的結晶質量提高，絲狀缺陷的數量和內應力減少。當梯度冷卻時間設定為300min時，金剛石中的絲狀缺陷完全消除。
       該研究加深了對金剛石絲狀缺陷成因的認識，也為獲得高質量金剛石提供了有效的方法。
       該研究成果以“Defect and Stress Reduction in High-Pressure and HighTemperature Synthetic Diamonds Using Gradient CoolingTechnology”為題，于6月8日發表在美國化學學會期刊(ACS Publications)，中國超硬材料網編譯整理。