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　　目前，我國人造金剛石的生產工藝水平與國外發達國家相比橫很落后，某些優質品種仍難合成。低品級金剛石泛濫，而高品級金剛石供不應求的矛盾將表現得越來越突出。根據有關資料表明，我國每年進口的特種高品級金剛石呈逐年上升的趨勢。因此，如何促進我國人造金剛石行業向高水平、多元化、優質、高效的方向發展已成為當務之急。若干年來，我國的生產廠家及科研機構在金剛石合成方面的研究力度也在逐漸加大，并取得了一些可喜成果，但這些成果在高品質金剛石合成方面的應用成效并不大。本人從晶體生長的最基本規律出發，提出一些新的觀點，希望在高品質金剛石的合成方面給人有所啟發。

　　１金剛石的晶體結構特征

　　金剛石晶體為等軸晶系，晶體結構特征表現于碳原子位于立方晶胞的八個角頂和六個面的中心，為立方面心格子構造，并在其八個小立方格的半數中心相間地分布著四個碳原子，每個碳原子都與周圍四個碳原子相連接。并且每兩個相鄰碳原子之間的距離相等，為1.54埃。金剛石結構中的碳原子之間形成四個共價鍵，鍵角為109°28′16″，如圖1所示：

圖1   金剛石晶體結構圖

Fig1 Configuration of diamond crystal

　　金剛石根據其成分和發光性、導熱性等物理性質的不同，分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型金剛石成分中含氮，氮形成極細的聚氰C3N分散于金剛石的晶體結構中，該種金剛石導熱性較低，在紫外光照射后發淡紫色磷光等。Ⅱ型金剛石不含氮，導熱性高，對紫外線呈透明，不發光。目前國內生產的金剛石基本上為Ⅰ型。Ⅱ型金剛石由于具有較理想的物理性質而體現出更高的經濟價值。

　　２金剛石晶體生長的一般規律

　　金剛石生長的過程是一個相當復雜的過程，但它首先必須遵守晶體生長的一般規律。它的一般生長過程是：在高溫高壓條件下，碳原子獲得充足的能量掙脫原來的原子團而成為自由原子，這一過程稱為碳原子的活化。活化的碳原子達到一定的濃度時，在適宜條件下相互結合形成金剛石晶核，在晶核的基礎上由內向外一層原子面一層原子面的向外生長推移，晶核慢慢長大而成為晶體。當生長停止時，其最外層的原子面便表現出實際的晶面，每兩個相鄰原子面相交的公共原子列即表現為實際的晶棱，整個晶體則為晶面所包圍而形成占有一定空間的封閉幾何多面體——結晶多面體，從而表現出晶體的自范性。因而，晶體的自范性較好即晶形較好，晶體的內部結構就有規律，其物理性質（如：高強、高導熱性等）才得以正常表現。

　　總之，晶體的生長必須經過成核作用，并遵照層生長理論、螺旋生長理論、甚至再結晶作用逐漸生長，它的生長必須遵照布拉維法則、居里-吳里弗原理、PBC理論等規律。在充分遵守這些規律的基礎上，如何才能獲得晶形好、內部結構規律、自范性好的金剛石晶體？一般而言，晶體的生長速度越快，越不利于雜質的派出，也不利于碳原子堆積生長時的充分取向。因而，在遵守基本規律的同時，如何控制生長速度，是獲得優質金剛石的最根本保證。

　　３影響金剛石晶體生長速度的主要因素

　　金剛石晶體的生長速度取決于以下幾個方面：內因上與碳原子的活化速度和碳原子的活化濃度的大小、活化的碳原子相互結合堆積成金剛石晶核或晶體的速度的大小（堆積速度）、已堆積成金剛石晶核或晶體的碳原子掙脫了晶體內其他碳原子的束縛而重新變成活化碳原子的速度的大小（熔蝕速度）有關。在晶體內部結構有缺陷或含雜質的地方內勢能微弱，極易發生熔蝕現象。因而，晶體熔蝕的結果是去劣存優，使晶體結后更加完整。

　　外因上與溫度、壓力、環境中有害雜質的濃度、以及媒介物質的有無等有關。內因決定外因，外因通過內因而起作用。

　　溫度不變的情況下，組分濃度越高，晶體的原子堆積速度越快，其生長速度也越快。對于金剛石而言，它的生長速度與活化的碳原子的濃度具有極其密切的聯系，活化的速度越快，活化的碳原子濃度也越高，金剛石的生長速度也越快。

　　碳原子的活化需要能量，在一定的溫度范圍內，升高溫度，可以提高活化速度，同時活化碳原子濃度也大大提高。因而，適當升高合成溫度，可以加快金剛石晶體的碳原子的堆積速度。但是，溫度的升高，也加劇了晶體內碳原子的動能，使得晶體內碳原子掙脫相互間的鍵力而重新回到活化原子狀態，即：溫度升高，可以增大金剛石晶體的熔蝕速度。碳原子的堆積速度與熔蝕速度之差即為晶體真正的生長速度。堆積速度大于熔蝕速度，晶體處于生長狀態；堆積速度小于熔蝕速度，晶體就會停止生長，甚至負生長（已長成的晶體由于熔蝕速度比堆積速度快而縮小）；當二者相等時，即碳原子的堆積速度和熔蝕速度相等，晶體處于動態平衡狀態。動態平衡有利于晶體排除雜質，使金剛石晶體內部結構更加完整，有利于優質晶體的形成。

　　壓力的大小可以改變原子的內勢能，從而影響碳原子的活化能、堆積速度、熔蝕速度。在溫度不變的情況下，增大壓力，也增加了碳原子的內勢能，使碳原子間的引力增大，不易與活化，既可以降低活化速度。壓力的增大，同時也增大了活化原子的勢能，使活化的碳原子易于結合，即增大壓力可以增大碳原子堆積金剛石晶體的速度。同時，金剛石晶體的碳原子也不易重新轉化為活化原子。總的來說，在一定范圍內增大壓力，即是增大了晶體的生長速度。

　　媒介物質的有無對金剛石的生長至關重要，它起到了降低生長條件的作用。好的媒介物質有著與金剛石晶體極其相似的微觀結構，在高溫高壓條件下，熔融的觸媒微粒作為晶核吸引活化的碳原子按照其自身的結構附著其上而生長，因此，觸媒結構的好壞，直接影響產品的質量。在沒有觸媒時，活化的碳原子在正常情況下其內勢能非常小，吸引力也非常弱，形成晶核異常困難，若要形成晶核，就需要更高的壓力和溫度條件。就目前的普通生產設備而言，還難以實現。因而，工業生產金剛石必須有觸媒的存在。

　　4 生長速度的分區及分析

　　根據生長速度與堆積速度、熔蝕速度及活化速度的關系，得到一定壓力條件下速度V與溫度T的變化曲線示意圖（圖2），根據曲線特性與晶體的關系分六個區。

圖2 速度-溫度曲線示意圖

Fig.2 Diagram of Speed-temperature Curve

　　Ⅰ區：環境溫度較低，活化速度較小，因而活化的碳原子濃度也較小，堆積速度也較小，熔蝕速度就更小，二者相互作用的結果是金剛石的生長速度很小。在一般合成條件下，其產品特點為：產品晶形較好，透明度不高，具有一定的雜質含量，粒度很細，強度很低。

　　Ⅱ區：環境溫度有所提高，活化速度增大很快，堆積速度增長也較快，熔蝕速度增長緩慢，因而晶體增展速度有所增大，在正常同等合成條件下，其產品特點為：產品晶形較完整，標準晶形為六面體，透明度較高，有一定的雜質含量，粒度適中，強度稍高。

　　Ⅲ區：環境溫度進一步提高，活化迅速，速度基本達到最大，堆積速度也增長很快，熔蝕速度由于溫度不太高仍保持較低水平，因而晶體生長速度很快。由于碳原子堆積很快，晶體結構極易產生缺陷，而一些雜質也極易被快速的堆積的碳原子包圍固定在晶體內部。其產品特點是：晶形較差，標準晶形為六面體，雜質含量較高，透明度較差，粒度較大，強度較低。

　　Ⅳ區：溫度進一步升高，活化速率有所下降，但活化碳原子濃度仍緩慢增大，堆積速度保持較高水平并緩慢增大，而熔蝕速度迅速增大，并達到相當水平但仍低于堆積速度。這時碳原子堆積迅速，熔蝕也非常快，晶體結構產生的缺損及雜質由于熔蝕速度的加快而大部分被熔蝕掉。產品結構特點是：晶形較好，標準晶形為六面體及六-八面體，透明度較高，雜質含量不高，粒度基本適中，強度較高。

　　Ⅴ區：溫度更進一步增高，活化速度已經很低，甚至近于零，活化原子濃度達到最大，堆積速度同時也達到最大，熔蝕速度進一步增大，直至與堆積速度相當，這時晶體生長速度較慢。碳原子迅速堆積而產生的結構缺陷及所含雜質，由于熔蝕速度加大而基本全部熔蝕掉，形成內部結構完整、雜質含量很低的優質晶體。產品結構特點為：晶形完好，標準晶體為多面體，透明度很好，雜質含量很低，粒度適中，具有良好的強度，部分晶體可見熔蝕現象。

　　Ⅵ區：溫度更高，這時碳原子基本全部成為活化原子，活化速度基本為零，堆積速度逐漸變小，熔蝕速度逐漸增大，且大于堆積速度，這時剛堆積的碳原子又馬上被熔蝕掉，因而該區不能形成晶體。若整個合成過程跨越兩個區，在Ⅴ區時間較長，Ⅵ區時間較短時，仍能獲得優質的產品，則是大部分晶體可見熔蝕現象。

　　5結論

　　由以上分析可知，隨著合成溫度的升高，金剛石晶體的晶形由六面體逐漸過渡到六-八面體，晶體的對稱程度逐漸增強，強度大幅度提高。通過比較可知，只有Ⅱ、Ⅴ兩個區生長速度適當，能生成晶形較好的晶體，尤以Ⅴ區最為重要，能生成品質優良的金剛石產品。目前，我國絕大部分生產廠家的產品，從晶形特征上看，都應屬于Ⅱ、Ⅲ區產品。要想從根本上解決質量問題，首先必須摒棄一些舊的思想觀念，徹底糾正“低溫低壓出高強”的錯誤思想，合理調整合成參數。

　　由于金剛石的合成是一個非常復雜的過程，合成腔內的溫度測定對大多數廠家來說難之又難，即使有辦法測定，準確度也難以確認，因而，本文對各區的討論僅限于定性分析。在實際操作中，應仔細觀察產品特征，確定該工藝所處的區域，仔細研究其合成參數，再決定是升降溫度和壓力，但無論升或降，幅度一定要小。溫度的控制方法大致有：控制電流、控制合成時間、控制合成快預熱溫度等。