CN113694830A - 一种氮掺杂金刚石及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种氮掺杂金刚石及其合成方法,属于金刚石晶体的合成技术领域。该合成方法包括:将金刚烷类、C22‑C25烷烃中的至少一种、含氮杂环有机化合物混合得到混合物。将混合物预压成预制坯体。将预制坯体置于金属铂容器中且预制坯体的表面与金属铂容器的内壁接触,在温度不低于900℃,压力不低于10GPa的条件下高温高压处理至少20min。选择具有类金刚石结构的有机物(金刚烷胺)作为金刚石生长的起点,在高温高压下与金属铂配合,烷烃脱氢后倾向于向金刚烷胺靠近,并补充氮源,使最终得到的金刚石晶体中较为均匀地掺杂氮元素,得到氮掺杂的金刚石。使用有机物作为原料,不需要添加触媒,即可制备得到氮掺杂的金刚石。
Description
技术领域
本申请涉及金刚石晶体的合成技术领域,且特别涉及一种氮掺杂金刚石及其合成方法。
背景技术
金刚石(元素组成为C)是天然存在的最坚硬的物质,具有强耐腐蚀性,热导率高达2000W/(m·K),被广泛用作切割刀具、保护膜、散热片等材料。金刚石中的碳原子以sp3杂化的方式成键,C-C键键长键间的夹角为109°28′,具有很强的方向性,其布拉维点阵是面心立方结构。在现有的制备金刚石的主要技术中,主要的制备方法为化学气相沉积法(CVD,Chemical Vapor Deposition)和高温高压法(HTHP,High Temperature HighPressure)。
其中,CVD法的优点是可以在远低于碳的熔点下进行反应,获得的产物纯净度极高,但是晶体生长速度慢,生产效率低,对装置的要求较高,不易普及推广和快速大规模制备。HTHP法的优点是自动化程度高,合成效率比CVD法高,成本相对较低,适合大批量生产。
现有的HTHP法通常是使用触媒,将石墨转化为金刚石。但该方法容易将触媒原子在生长过程中引入到金刚石晶格中,造成金刚石晶体的缺陷。
发明内容
研究发现,触媒一般为面心立方结构的铁、钴、镍等金属或者形成的合金,熔融或半熔融状态的触媒在初期溶解接触区的石墨,借助相应的密排面引导碳原子的电子从sp2π状态向sp3状态转变,随后借助触媒晶格或金刚石籽晶在达到过饱和状态后析出形核,之后逐渐长大,从而使触媒原子在生长过程中引入到金刚石晶格中,造成金刚石晶体的缺陷。
针对现有技术的不足,本申请实施例提供一种氮掺杂金刚石及其合成方法,不需要添加触媒,通过高温高压方法与铂管配合制备得到氮掺杂的金刚石。
第一方面,本申请实施例提供了一种氮掺杂金刚石的合成方法,包括:将金刚烷类、C22-C25烷烃中的至少一种、含氮杂环有机化合物混合得到混合物。将混合物预压成预制坯体。将预制坯体置于金属铂容器中且预制坯体的表面与金属铂容器的内壁接触,在温度不低于900℃,压力不低于10GPa的条件下高温高压处理至少20min。
将预制配体置于铂容器中进行高温高压反应,可以选择具有类金刚石结构的有机物(金刚烷类)作为金刚石生长的起点,在温度不低于900℃,压力不低于10GPa的条件下,与铂进行配合,C22-C25烷烃脱氢,形成不饱和C键,不饱和C键倾向于向金刚烷胺靠近,并且通过含氮杂环有机化合物补充氮源,使最终得到的金刚石晶体中较为均匀地掺杂氮元素,得到氮掺杂的金刚石。且铂具有很高的熔点和良好的化学稳定性,其不会引入到金刚石晶格中,可以避免将其他杂质元素引入金刚石晶体内。本申请中,使用有机物作为原料,不需要添加触媒,即可通过高温高压方法与铂管配合制备得到氮掺杂的金刚石。
在本申请的部分实施例中,金刚烷类为金刚烷胺;含氮杂环有机化合物为三嗪类含氮杂环有机物;C22-C25烷烃为正二十四烷。选择上述三种有机物作为原料进行氮掺杂的金刚石的制备,可以使制备条件更加容易达到,并缩短合成时间。
在本申请的部分实施例中,三嗪类含氮杂环有机物为三聚氰胺。
在本申请的部分实施例中,金刚烷胺、正二十四烷和三聚氰胺的质量比依次为5:(1-2):(0.5-1)。该比例可以使金刚石晶体中的氮掺杂更加均匀。
在本申请的部分实施例中,预制坯体置于温度为1000-1200℃,压力为11-20GPa的条件下处理20-80min。该条件进行氮掺杂的金刚石的制备,可以使其得率更高,且氮掺杂较为均匀。
在本申请的部分实施例中,将C22-C25烷烃和含氮杂环有机混合物置于溶剂中进行溶解,然后将其烘干,然后添加金刚烷胺类进行混合,并在溶剂中研磨,干燥后得到混合物。可以使原料混合更加均匀。
在本申请的部分实施例中,高温高压处理在多面顶压机中进行。该多面顶压机中容易形成高温高压环境,以便进行氮掺杂的金刚石的制备。
在本申请的部分实施例中,高温高压处理以后,还包括降温卸压、取出合成产物,并将合成产物进行超声清洗。通过超声清洗分离的方式,可以将氮掺杂的金刚石中的杂质清除,得到更加纯净的氮掺杂的金刚石。
在本申请的部分实施例中,预压在压腔为1-30MPa的条件下处理1-5min。
第二方面,本申请实施例提供一种氮掺杂金刚石,由上述氮掺杂金刚石的合成方法合成。该氮掺杂金刚石的金刚石晶体中较为均匀地掺杂氮元素。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本申请的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的氮掺杂金刚石的合成方法的工艺流程图;
图2为本申请实施例提供的两面顶压机的高压合成块的剖视图;
图3为本申请提供的合成产物在光学显微镜下的照片;
图4为合成产物的拉曼光谱表征图;
图5为本申请提供的合成产物在扫描电子显微镜下的照片;
图6为本申请实施例3提供的合成产物经过电子辐照和退火处理以后的PL光谱测试图。
图标:110-氧化镁八面体;120-二氧化锆圆管;131-钽圆管;132-钽圆片;140-二氧化锆堵头;151-六方氮化硼圆管;152-六方氮化硼圆片;161-金属铂圆管;162-金属铂圆片;210-预制坯体。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1为本实施例提供的氮掺杂金刚石的合成方法的工艺流程图。请参阅图1,本申请提供了一种氮掺杂金刚石的合成方法,包括如下步骤:
S110、将金刚烷类、C22-C25烷烃中的至少一种、含氮杂环有机化合物混合得到混合物。
其中,金刚烷类可以为金刚烷胺、金刚烷、双金刚烷中的一种或多种;含氮杂环有机化合物可以为三聚氰胺。烷烃可以为二十二烷、二十三烷、二十四烷和二十五烷中的一种或多种;本申请中,烷烃的支链数量不受到限定,其可以无支链、也可以是一条或多条支链,例如:该烷烃可以是正烷烃、异烷烃、新烷烃等,本申请不做限定。可选地,金刚烷类、C22-C25烷烃、含氮杂环有机化合物的质量比依次为5:(1-2):(0.5-1)。
本申请中,金刚烷类为金刚烷胺,烷烃为正二十四烷,含氮杂环有机化合物为三嗪类含氮杂环有机物。选择金刚烷胺、正二十四烷和三嗪类含氮杂环有机物进行氮掺杂的金刚石的制备,可以使制备条件更加容易达到,并缩短合成时间。可选地,三嗪类含氮杂环有机物为三聚氰胺。
可选地,金刚烷胺、正二十四烷和三聚氰胺的质量比依次为5:(1-2):(0.5-1)。作为示例性地,金刚烷胺、正二十四烷和三聚氰胺的质量比依次为5:1:0.5、5:2:0.5、5:1.5:0.5、5:1:0.8、5:2:0.8、5:1.5:0.8、5:1:1、5:2:1或5:1.5:1。
可以通过磁力搅拌的方式将三类原料置于溶剂中进行混合,使其混合更加均匀。可选地,先将C22-C25烷烃和含氮杂环有机混合物置于溶剂中(例如:乙醇)进行溶解(例如:磁力搅拌混合),充分溶解后将其烘干;然后将其与金刚烷胺类混合并在溶剂(例如:乙醇)中研磨形成悬浊液,然后将其烘干得到混合粉末。
S120、将混合物预压成预制坯体。可选地,预压在压腔为1-30MPa的条件下处理1-5min。
可选地,预压的压力为1-10MPa,或预压的压力为10-20MPa,或预压的压力为20-30MPa。作为示例性地,预压的压力为1MPa、5MPa、10MPa15MPa、20MPa、25MPa或30MPa;预压的时间可以为1min、2min、3min、4min或5min。
需要说明的是:预制坯体的形状不受到限定,其只要能够与后续进行高温高压处理的设备中的样品腔的形状适配即可。
S130、将预制坯体置于金属铂容器中且预制坯体的表面与金属铂容器的内壁接触,在温度不低于900℃,压力不低于10GPa的条件下高温高压处理至少20min。可选地,预制坯体置于温度为1000-1200℃,压力为11-20GPa的条件下处理20-80min。
作为示例性地,高温高压处理的温度为900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃或1400℃;高温高压处理的压力为10GPa、11GPa、12GPa、14GPa、16GPa、18GPa、20GPa、22GPa或24GPa。
本申请中,高温高压处理在多面顶压机中进行,先将预制坯体置于高压合成块内,然后将高压合成块置于多面顶压机的合成腔体内,进行高温高压处理。
可选地,多面顶压机可以是两面顶压机、四面顶压机、六面顶压机或八面顶压机等,本申请不做限定,只要能够提供相应压力和温度的设备均在本申请的保护范围之内。
图2为本申请提供的两面顶压机的高压合成块的剖视图。请参阅图2,金属铂容器为金属铂管(例如为金属铂圆管161),高压合成块包括从外至内依次设置的氧化镁八面体110、二氧化锆圆管120、钽圆管131、设置于钽圆管131两端的钽圆片132、两个二氧化锆堵头140、六方氮化硼圆管151、设置于六方氮化硼圆管151两端的六方氮化硼圆片152、金属铂圆管161和设置于金属铂圆管161两端的金属铂圆片162,金属铂圆管161内的样品腔用于装放圆柱形的预制坯体210。
预制坯体210的放置方法可以是:将压制好的圆柱体预制坯体210放入金属铂圆管161中,此金属铂圆管161上下两端用金属铂圆片162封住端口;之后将其放入六方氮化硼圆管151中,此六方氮化硼圆管151上下两端用六方氮化硼圆片152封住端口;随后将其放入钽圆管131,两端分别加入二氧化锆堵头140,再用钽圆片132封住上下两端口。然后将其依次放入二氧化锆圆管120和氧化镁八面体110中,实现预制坯体210的安装。安装完成以后,通过两面顶压机进行高温高压处理。
S140、高温高压处理完成以后,降温卸压、取出合成产物,并将合成产物进行超声清洗。可选地,将合成产物放入研钵,加入少量酒精进行研磨,然后收集到小型塑料管中,放入超声机中进行分散处理,之后取出并将液体蒸干,用镊子、细针等将杂质夹走、挑走,最后收集剩余部分为较为纯净的氮掺杂的金刚石粉末。
通过超声清洗分离的方式,可以将氮掺杂的金刚石中的部分杂质清除,得到更加纯净的氮掺杂的金刚石,若进行适当的酸洗可以进一步去除杂质。
本申请中,选择具有类金刚石结构的有机物(金刚烷类)作为金刚石生长的起点,在温度不低于900℃,压力不低于10GPa的条件下,与铂进行配合,C22-C25烷烃脱氢,形成不饱和C键,不饱和C键倾向于向金刚烷胺靠近,并且通过含氮杂环有机化合物补充氮源,使最终得到的金刚石晶体中较为均匀地掺杂氮元素,得到氮掺杂的金刚石。且铂具有很高的熔点和优良的化学稳定性,其不会引入到金刚石晶格中,可以避免将其他杂质元素引入金刚石晶体内。本申请中,使用有机物作为原料,不需要添加触媒,即可通过高温高压方法与铂管配合制备得到氮掺杂的金刚石。
金刚烷胺、正二十四烷和三聚氰胺的质量比依次为5:(1-2):(0.5-1),使用其进行氮掺杂的金刚石的制备,可以使制备条件更加容易达到,并缩短合成时间;且氮原子的掺杂更加均匀。
通过上述合成方法,使最终得到的金刚石晶体中较为均匀地掺杂氮元素,得到氮掺杂的金刚石。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种氮掺杂的金刚石的合成方法,包括:
(1)、取质量比依次为5:2:1的金刚烷胺、正二十四烷和三聚氰胺作为原料;将正二十四烷和三聚氰胺盛放于玻璃烧杯中,加入乙醇溶剂并使用磁力搅拌器(转速为200r/min)对溶液进行搅拌,待固体充分溶解后取出烧杯置于烘箱中烘干。将获得的固体粉末倒入研钵中,再取金刚烷胺与之混合,倒入少量酒精使其形成悬浊液,之后开始研磨以加速酒精挥发,待几乎看不到液体后再次放入烘箱中烘干,得到混合物备用。
(2)、将研磨好的混合物置于模具中,在压力为5MPa的条件下压制4min,得到圆柱状坯体。
(3)、将圆柱状坯体放入金属铂圆管中,此金属铂圆管上下两端用金属铂圆片封住端口;之后将其放入六方氮化硼圆管中,此六方氮化硼圆管上下两端用六方氮化硼圆片封住端口;随后将其放入钽圆管,两端分别加入二氧化锆堵头,再用钽圆片封住上下两端口。然后将其依次放入二氧化锆圆管和氧化镁八面体中。在温度为1000℃,压力为11GPa的条件下,进行30min的保温保压处理。
(4)、卸压降温并取出所合成产物,将合成产物放入研钵,加入少量酒精进行研磨,然后收集到小型塑料管中,放入超声机中进行分散处理,之后取出并将液体蒸干,用镊子、细针等将杂质夹走、挑走,最后收集较为纯净的氮掺杂的金刚石粉末。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于:金刚烷胺、正二十四烷和三聚氰胺的质量比依次为5:1:1。其他方法处理步骤一致。
实施例3
实施例3与实施例2的区别在于:保温保压的时间为70min。其他方法处理步骤一致。
实施例4
实施例4与实施例2的区别在于:保温保压的时间为80min。其他方法处理步骤一致。
实施例5
实施例5与实施例2的区别在于:在温度为1200℃,压力为11GPa的条件下,进行20min的保温保压处理。其他方法处理步骤一致。
实施例6
实施例6与实施例2的区别在于:将金刚烷胺替换成金刚烷。
实施例7
实施例7与实施例2的区别在于:将正二十四烷替换成正二十三烷。
对比例1
对比例1与实施例2的区别在于:原料中,金刚烷胺、甲醛和苯胺的质量比依次为5:1:1.5。
使用移液枪取出一定量甲醛溶液盛放于玻璃烧杯,使用磁力搅拌器(转速为200r/min)对其进行搅拌,随后使用移液枪将苯胺滴入甲醛溶液中,体积比为1:1.5。将烧杯放入水浴缸中,通过磁力搅拌器的加热功能对溶液进行水浴加热,温度为90℃,期间保持搅拌操作。随着反应进行,体系将会逐渐形成淡黄色的硬质胶状固体(苯胺-甲醛树脂),待其基本不再增多时停止加热,取出固体置于研钵,再取出一定量金刚烷胺与之混合,倒入少量酒精使其形成悬浊液,之后开始研磨以加速酒精挥发,待几乎看不到液体后再次放入烘箱中烘干,得到混合物备用。
其他方法处理步骤一致。
对比例2
对比例2与实施例2的区别在于:原料中,金刚烷胺和对氨基苯甲酸的质量比依次为5:2。
取出一定量对氨基苯甲酸盛放于玻璃烧杯,放入转子,滴入足量的乙醇溶液,使用磁力搅拌器(转速为200r/min)对溶液进行搅拌,随后将烧杯放入水浴缸中,通过磁力搅拌器的加热功能对溶液进行水浴加热,温度为90℃,期间保持搅拌操作。一段时间后停止加热,取出烧杯置于烘箱中60℃烘干。烘干后冷却至室温,将获得的固体粉末倒入研钵中,再取出一定量金刚烷胺与之混合,倒入少量酒精使其形成悬浊液,之后开始研磨以加速酒精挥发,待几乎看不到液体后再次放入烘箱中烘干,得到混合物备用。
其他方法处理步骤一致。
对比例3
对比例3与实施例2的区别在于:在温度为800℃,压力为11GPa的条件下,进行120min的保温保压处理。其他方法处理步骤一致。
对比例4
对比例4与实施例2的区别在于:在温度为1400℃,压力为5GPa的条件下,进行120min的保温保压处理。其他方法处理步骤一致。
对比例5
对比例5与实施例2的区别在于:将高压合成块中的铂圆管和铂圆片替换成钢圆管和钢圆片。
对比例6
对比例2与实施例2的区别在于:将圆柱状坯体放入六方氮化硼圆管中,此六方氮化硼圆管上下两端用六方氮化硼圆片封住端口;随后将其放入钽圆管,两端分别加入二氧化锆堵头,再用钽圆片封住上下两端口。然后将其依次放入二氧化锆圆管和氧化镁八面体中。在温度为1000℃,压力为11GPa的条件下,进行30min的保温保压处理。
试验例1
实施例1-实施例7以及对比例1-对比例6提供的氮掺杂的金刚石的制备条件以及制备结果如表1。
表1氮掺杂的金刚石的制备条件以及制备结果
从表1可以看出,对比例1(原料为金刚烷胺、甲醛和苯胺)和对比例2(原料为金刚烷胺和对氨基苯甲酸)中可以看出,如果有机物不选择特定的原料(金刚烷类、C22-C25烷烃和含氮杂环有机化合物),则在高温高压的条件下进行处理,也不能够得到氮掺杂的金刚石晶体。
对比例3(温度为800℃)和对比例4(压力为5GPa)可以看出,选择本申请提供的原料(金刚烷类、C22-C25烷烃和含氮杂环有机化合物)进行氮掺杂的金刚石晶体的制备,如果高温高压处理的温度过低,则不能够得到氮掺杂的金刚石晶体。
对比例5和对比例6可以看出,如果在钢管(对比例5)或六方氮化硼管(对比例6)中对预制坯体进行高温高压处理,不能够得到氮掺杂的金刚石晶体。
实施例1-实施例7可以看出,将预制坯体至于金属铂容器中,与高温高压处理进行配合,可以制备得到氮掺杂的金刚石晶体。
试验例2
图3为本申请提供的合成产物在光学显微镜下的照片。其中,图3中(a)图片是实施例2提供的合成产物在光学显微镜下的照片;图3中(b)图片是实施例3提供的合成产物在光学显微镜下的照片。从图3可以看出,图3中(a)图片和图3中(b)图片中都具有闪光部分,与金刚石的光学特征非常相似,可以推测出本申请提供的方法能够制备得到金刚石晶体;且图3中(b)图片中的闪光部分含量更高,可以推测出得到了更多的金刚石晶体,说明高温高压处理的时间延长,可以得到更多的金刚石晶体。
图4为合成产物的拉曼光谱表征图。其中,图4中(a)图片是对比例3提供的合成产物的拉曼光谱表征图;图4中(b)图片是实施例2提供的合成产物的拉曼光谱表征图;图4中(c)图片是实施例3提供的合成产物的拉曼光谱表征图;图4中(d)图片是实施例5提供的合成产物的拉曼光谱表征图;图4中(e)图片是单晶金刚石的拉曼光谱表征图。从图4可以看出,实施例2、实施例3和实施例5提供的合成产物中具有金刚石的特征峰,说明其得到了金刚石晶体。对比例1提供的合成产物中不具有金刚石的特征峰,说明其没有得到金刚石晶体。图4中(c)图片的金刚石特征峰的半高宽小于图4中(b)图片的金刚石特征峰的半高宽;且图4中(b)图片的金刚石特征峰的半高宽小于图4中(d)图片的金刚石特征峰的半高宽,说明实施例3提供的合成产物中,金刚石晶体的结晶度更高。
图5为本申请提供的合成产物在扫描电子显微镜下的照片。其中,图5中(a)图片是实施例2提供的合成产物在扫描电子显微镜下的照片;图5中(b)图片是实施例3提供的合成产物在扫描电子显微镜下的照片。从图5可以看出,图5中(a)图片和图5中(b)图片均可以看到部分规则的晶粒,尺寸为微米级。图5中(a)图片出现的晶粒形状并不十分规整,且其表面还沾有更细的粉末,可以推测,原料未全部转化成金刚石晶体。图5中(b)图片可以看到较为规整的晶粒,多数为典型金刚石晶体的八面体结构,露在最外面的是{111}晶面族。在相同实验温度(1000℃)的条件下,保温时间延长40min,产物中的金刚石晶粒形状变得非常整齐,基本与常见的人造金刚石的八面体结构一致,且并未发现有未反应完全的部分,说明在该温度下延长保温时间对合成高质量的晶粒有重要作用。
试验例3
对实施例3提供的合成产物进行辐照处理,辐照条件为:辐照剂量为700kGy,辐照电压为300kV,辐照时间为一周;然后对其进行退火处理,退火条件为:1000℃的真空退火处理,真空度为10-3Pa,时间为2h。然后对其PL光谱测试,得到PL光谱测试图如图6。从图6可以看出,虽然可能由于除杂不彻底的原因,样品中存在缺陷能级,导致谱线平滑度不高,但是在重复测试中仍然可以找到与本图一致的对应NV0色心(575nm)和NV-色心(638nm)的PL特征峰,说明该高温高压合成方法成功合成出含氮金刚石,且含有数量较多的NV0与NV-色心,说明氮掺杂效果较佳。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
Claims (10)
1.一种氮掺杂金刚石的合成方法,其特征在于,包括:
将金刚烷类、C22-C25烷烃中的至少一种、含氮杂环有机化合物混合得到混合物;
将所述混合物预压成预制坯体;
将所述预制坯体置于金属铂容器中且所述预制坯体的表面与所述金属铂容器的内壁接触,在温度不低于900℃,压力不低于10GPa的条件下高温高压处理至少20min。
2.根据权利要求1所述的合成方法,其特征在于,所述金刚烷类包括金刚烷胺;所述含氮杂环有机化合物为三嗪类含氮杂环有机物;所述C22-C25烷烃为正二十四烷。
3.根据权利要求2所述的合成方法,其特征在于,所述三嗪类含氮杂环有机物为三聚氰胺。
4.根据权利要求3所述的合成方法,其特征在于,所述金刚烷胺、所述正二十四烷和所述三聚氰胺的质量比依次为5:(1-2):(0.5-1)。
5.根据权利要求4所述的合成方法,其特征在于,预制坯体置于温度为1000-1200℃,压力为11-20GPa的条件下处理20min以上。
6.根据权利要求1-5任一项所述的合成方法,其特征在于,所述混合物的制备方法,包括:将所述C22-C25烷烃和所述含氮杂环有机混合物置于溶剂中进行溶解,然后将其烘干,然后添加所述金刚烷胺类进行混合,并在溶剂中研磨,干燥后得到所述混合物。
7.根据权利要求1-5任一项所述的合成方法,其特征在于,所述高温高压处理在多面顶压机中进行。
8.根据权利要求1-5任一项所述的合成方法,其特征在于,所述高温高压处理以后,还包括降温卸压、取出合成产物,并将所述合成产物进行超声清洗。
9.根据权利要求1-5任一项所述的合成方法,其特征在于,所述预压在压腔为1-30MPa的条件下处理1-5min。
10.一种氮掺杂金刚石,其特征在于,由权利要求1-9任一项所述的氮掺杂金刚石的合成方法合成。
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Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB871645A (en) * | 1957-04-29 | 1961-06-28 | Gen Electric | Method of converting carbonaceous material to diamond |
FR1546923A (fr) * | 1966-12-01 | 1968-11-22 | Gen Electric | Procédé non-catalytique pour la production de diamant possédant une structure cristallographique hexagonale, et diamant ainsi produit |
JPH08141385A (ja) * | 1994-11-22 | 1996-06-04 | Tokyo Gas Co Ltd | ダイヤモンドの合成方法 |
US20040000266A1 (en) * | 2002-06-27 | 2004-01-01 | D'evelyn Mark Philip | Method for reducing defect concentrations in crystals |
CN101255562A (zh) * | 2007-12-04 | 2008-09-03 | 沈阳师范大学 | 一种制备类金刚石薄膜电极的方法 |
US20180141818A1 (en) * | 2015-06-19 | 2018-05-24 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Diamond single crystal, tool, and method for producing diamond single crystal |
WO2020092885A1 (en) * | 2018-11-02 | 2020-05-07 | The Texas A&M University System | Systems and methods for low pressure diamond growth without plasma, including seeding growth |
US20200325596A1 (en) * | 2017-10-20 | 2020-10-15 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Synthetic single crystal diamond, tool and method of producing synthetic single crystal diamond |
-
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- 2021-09-07 CN CN202111044777.4A patent/CN113694830A/zh active Pending
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB871645A (en) * | 1957-04-29 | 1961-06-28 | Gen Electric | Method of converting carbonaceous material to diamond |
FR1546923A (fr) * | 1966-12-01 | 1968-11-22 | Gen Electric | Procédé non-catalytique pour la production de diamant possédant une structure cristallographique hexagonale, et diamant ainsi produit |
JPH08141385A (ja) * | 1994-11-22 | 1996-06-04 | Tokyo Gas Co Ltd | ダイヤモンドの合成方法 |
US20040000266A1 (en) * | 2002-06-27 | 2004-01-01 | D'evelyn Mark Philip | Method for reducing defect concentrations in crystals |
CN101255562A (zh) * | 2007-12-04 | 2008-09-03 | 沈阳师范大学 | 一种制备类金刚石薄膜电极的方法 |
US20180141818A1 (en) * | 2015-06-19 | 2018-05-24 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Diamond single crystal, tool, and method for producing diamond single crystal |
US20200325596A1 (en) * | 2017-10-20 | 2020-10-15 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Synthetic single crystal diamond, tool and method of producing synthetic single crystal diamond |
WO2020092885A1 (en) * | 2018-11-02 | 2020-05-07 | The Texas A&M University System | Systems and methods for low pressure diamond growth without plasma, including seeding growth |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
郑友进等: "纯Fe触媒体系下C3N6H6对宝石级金刚石生长的影响", 人工晶体学报, vol. 45, no. 3, pages 795 - 798 * |
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