一种氮掺杂金刚石单晶的制备方法

本发明属于金刚石制备，更具体的说是涉及一种氮掺杂金刚石单晶的制备方法。

背景技术：

1、金刚石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等。金刚石以其优异的物理化学性质在高端制造业如精密工具、耐磨零件、光学元件涂层、电子产品配件加工等领域具有广泛应用。金刚石已成为高科技发展的二十一世纪新材料，科技的发展进一步推动人造金刚石作为功能性材料在新兴产业的应用层出不穷。天然金刚石矿属于非可再生资源且具有矿藏储量稀少、开采成本高昂以及开采过程对生态环境破坏程度较高等特点，无法被大范围应用于工业领域。

2、因此，全球工业用金刚石主要是人造金刚石。而制备高品质金刚石单晶材料是推动金刚石在高科技尖端领域应用的重要前提。在金刚石晶体中掺入其他元素后，会明显的改善金刚石材料的某些性能，甚至还可以赋予金刚石新的功能。

3、氮元素是金刚石中常见的掺杂元素。在开展的氮掺杂金刚石制备研究中，常见的氮源通常为叠氮化钡(ba(n3)2)、叠氮化钠(nan3)、氮化铁(fe3n)等。这些含氮物质的使用不可避免地引入其他杂质元素，改变了原有触媒性质，对触媒有毒化作用，提高了氮掺杂金刚石单晶的合成压力和温度，增加了合成高品质金刚石的难度，使得生产成本增高。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种氮掺杂金刚石单晶的制备方法。通过仅含有碳氮氢氧的有机物作为氮源对于石墨粉改性，能够有效降低制备高品质氮掺杂金刚石单晶的合成压力和温度，并且由此制备得到的氮掺杂金刚石单晶质量高、包裹体少、晶型完好、透明度高。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于制备氮掺杂金刚石单晶的改性碳源，使用碳氮氢氧有机化合物粉末对石墨粉进行改性得到；所述碳氮氢氧有机化合物粉末分子式为r1-(c＝o)-r2，其中，r1、r2由氮和氢和/或碳组成。

3、进一步的，所述改性碳源的制备方法包括：按石墨粉质量分数的0.1-1.0wt.％称取氮源，将氮源和石墨粉在真空环境中混合4～6小时得到氮化石墨粉，然后压制成型，即得所述改性碳源。

4、优选的，所述真空环境的真空度为1.0×10-2torr。

5、进一步的，所述石墨粉是鳞片状石墨粉在惰性气体氛围或真空条件下，加热到1500～2000℃处理1～10h得到。

6、优选的，所述惰性气体氛围包括氩气氛围、氦气氛围、氖气氛围、氪气氛围、氙气氛围、氮气氛围中的一种。

7、优选的，所述真空的真空度为1.0×10-2torr。

8、另一方面，本发明还提供了一种氮掺杂金刚石单晶的制备方法，以上述用于制备氮掺杂金刚石单晶的改性碳源为原料，和触媒、晶床、金刚石籽晶组成金刚石合成块，通过加压合成处理得到所述氮掺杂金刚石单晶。

9、进一步的，所述触媒为nimnco合金或feni合金。

10、进一步的，所述加压合成处理的压力为5.5～8.0gpa，温度为1300～1400℃，时间为1h-200h。

11、进一步的，所述加压合成处理后还包括酸处理工序。

12、优选的，所述酸处理工序的方法为：对加压合成后的样品用热的稀硝酸溶液将触媒溶解，然后再用热的浓硫酸和浓硝酸(浓硫酸和浓硝酸体积比为9:1)混合溶液精煮处理2～6h。

13、更加优选的，所述稀硝酸溶液的浓度不高于6mol/l；所述浓硝酸的浓度不低于8mol/l；所述浓硫酸浓度不低于10mol/l。

14、另一方面，本发明还提供了一种由上述方法制备得到的氮掺杂金刚石单晶。

15、另一方面，本发明还提供了一种上述氮掺杂金刚石单晶在航空航天和精密仪器领域中的应用。

16、另一方面，本发明还提供了一种提高氮掺杂金刚石单晶品质的方法，以上述的用于制备氮掺杂金刚石单晶的改性碳源为原料，和nimnco合金触媒、晶床、金刚石籽晶组成金刚石合成块，通过加压合成处理得到氮掺杂金刚石单晶。

17、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，具有如下有益效果：

18、1、本发明使用仅含有碳氮氢氧的有机物作为氮源，结构简单，易分解，有机物中的氮是氮掺杂金刚石中氮原子的主要来源，有机物中含有的少量氧更加有利于合成高质量金刚石单晶。

19、2、本发明使用的氮源在合成金刚石单晶时，未引入其他非必要杂质元素，避免了非必要杂质元素对触媒的毒化作用，进一步的降低了氮掺杂金刚石单晶制备的合成压力和温度。

20、3、本发明使用的氮源作为添加剂在合成金刚石单晶时，有效抑制了再结晶石墨的析出，提高了高品质金刚石制备的效率。

21、4、本发明在制备改性碳源过程中，均在惰性气体氛围或真空条件下进行，减少了原始材料在空气中的暴露时间，极大地减弱了外界温湿度及空气的复杂成分对原始材料的污染。

22、5、本发明使用仅含有碳氮氢氧的有机物作为氮源，合成的氮掺杂金刚石单晶质量高、包裹体少、晶型完好、透明度高。

技术特征：

1.一种用于制备氮掺杂金刚石单晶的改性碳源，其特征在于，使用碳氮氢氧有机化合物粉末对石墨粉进行改性得到；所述碳氮氢氧有机化合物粉末分子式为r1-(c＝o)-r2，其中，r1、r2由氮和氢和/或碳组成。

2.根据权利要求1所述的用于制备氮掺杂金刚石单晶的改性碳源，其特征在于，所述改性碳源的制备方法包括：按石墨粉质量分数的0.1-1.0wt.％称取氮源，将氮源和石墨粉在真空环境中混合4～6小时得到氮化石墨粉，然后压制成型，即得所述改性碳源。

3.根据权利要求2所述的用于制备氮掺杂金刚石单晶的改性碳源，其特征在于，所述石墨粉是鳞片状石墨粉在惰性气体氛围或真空条件下，加热到1500～2000℃处理1～10h得到。

4.一种氮掺杂金刚石单晶的制备方法，其特征在于，以权利要求1所述的用于制备氮掺杂金刚石单晶的改性碳源为原料，和触媒、晶床、金刚石籽晶组成金刚石合成块，通过加压合成处理得到所述氮掺杂金刚石单晶。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述触媒为nimnco合金或feni合金；所述加压合成处理的压力为5.5～8.0gpa，温度为1300～1400℃，时间为1～200h。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述加压合成处理后还包括酸处理工序。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述酸处理工序的方法为：对加压合成后的样品置于稀硝酸溶液中将触媒溶解，再用体积比为9:1的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液精煮处理2～6h。

8.一种如权利要求4～7任一项所述制备方法制得的氮掺杂金刚石单晶。

9.一种如权利要求8所述的氮掺杂金刚石单晶在航空航天和精密仪器领域中的应用。

10.一种提高氮掺杂金刚石单晶品质的方法，其特征在于，以权利要求1所述的用于制备氮掺杂金刚石单晶的改性碳源为原料，和nimnco合金触媒、晶床、金刚石籽晶组成金刚石合成块，通过加压合成处理得到氮掺杂金刚石单晶。

技术总结
本发明属于金刚石制备技术领域，涉及一种氮掺杂金刚石单晶的制备方法。由改性碳源、NiMnCo合金触媒、晶床和金刚石籽晶制备得到金刚石单晶后，经过酸处理所述金刚石单晶即得所述高品质氮掺杂金刚石单晶，其中改性碳源通过含有碳氮氢氧的有机物作为氮源对于石墨粉改性得到，由于未引入其他非必要杂质元素，避免了对触媒的毒化作用，降低了高品质氮掺杂金刚石单晶的制备难度，降低了制备成本，具有可重复性。该方法能够有效降低制备高品质氮掺杂金刚石单晶的合成压力和温度，并且由此制备得到的氮掺杂金刚石单晶质量高、包裹体少、晶型完好、透明度高。

技术研发人员：郭龙锁
受保护的技术使用者：山东省科学院新材料研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16