目前，我國人造金剛石的生產(chǎn)工藝水平與國外發(fā)達(dá)國家相比橫很落后，某些優(yōu)質(zhì)品種仍難合成。低品級金剛石泛濫，而高品級金剛石供不應(yīng)求的矛盾將表現(xiàn)得越來越突出。根據(jù)有關(guān)資料表明，我國每年進(jìn)口的特種高品級金剛石呈逐年上升的趨勢。因此，如何促進(jìn)我國人造金剛石行業(yè)向高水平、多元化、優(yōu)質(zhì)、高效的方向發(fā)展已成為當(dāng)務(wù)之急。若干年來，我國的生產(chǎn)廠家及科研機構(gòu)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(zhì)金剛石合成方面的應(yīng)用成效并不大。本人從晶體生長的最基本規(guī)律出發(fā)，提出一些新的觀點，希望在高品質(zhì)金剛石的合成方面給人有所啟發(fā)。

　　１金剛石的晶體結(jié)構(gòu)特征

　　金剛石晶體為等軸晶系，晶體結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)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(gòu)造，并在其八個小立方格的半數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

Fig1 Configuration of diamond crystal

　　金剛石根據(jù)其成分和發(fā)光性、導(dǎo)熱性等物理性質(zhì)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(xì)的聚氰C3N分散于金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中，該種金剛石導(dǎo)熱性較低，在紫外光照射后發(fā)淡紫色磷光等。Ⅱ型金剛石不含氮，導(dǎo)熱性高，對紫外線呈透明，不發(fā)光。目前國內(nèi)生產(chǎn)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(zhì)而體現(xiàn)出更高的經(jīng)濟(jì)價值。

　　２金剛石晶體生長的一般規(guī)律

　　金剛石生長的過程是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，但它首先必須遵守晶體生長的一般規(guī)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(tuán)而成為自由原子，這一過程稱為碳原子的活化?；罨奶荚舆_(dá)到一定的濃度時，在適宜條件下相互結(jié)合形成金剛石晶核，在晶核的基礎(chǔ)上由內(nèi)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(dāng)生長停止時，其最外層的原子面便表現(xiàn)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(xiàn)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(jié)晶多面體，從而表現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)就有規(guī)律，其物理性質(zhì)（如：高強、高導(dǎo)熱性等）才得以正常表現(xiàn)。

　　總之，晶體的生長必須經(jīng)過成核作用，并遵照層生長理論、螺旋生長理論、甚至再結(jié)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(guī)律。在充分遵守這些規(guī)律的基礎(chǔ)上，如何才能獲得晶形好、內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)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(zhì)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(guī)律的同時，如何控制生長速度，是獲得優(yōu)質(zhì)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(nèi)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(jié)合堆積成金剛石晶核或晶體的速度的大?。ǘ逊e速度）、已堆積成金剛石晶核或晶體的碳原子掙脫了晶體內(nèi)其他碳原子的束縛而重新變成活化碳原子的速度的大?。ㄈ畚g速度）有關(guān)。在晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有缺陷或含雜質(zhì)的地方內(nèi)勢能微弱，極易發(fā)生熔蝕現(xiàn)象。因而，晶體熔蝕的結(jié)果是去劣存優(yōu)，使晶體結(jié)后更加完整。

　　外因上與溫度、壓力、環(huán)境中有害雜質(zhì)的濃度、以及媒介物質(zhì)的有無等有關(guān)。內(nèi)因決定外因，外因通過內(nèi)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(lián)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(nèi)，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(dāng)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(nèi)碳原子的動能，使得晶體內(nèi)碳原子掙脫相互間的鍵力而重新回到活化原子狀態(tài)，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(tài)；堆積速度小于熔蝕速度，晶體就會停止生長，甚至負(fù)生長（已長成的晶體由于熔蝕速度比堆積速度快而縮?。划?dāng)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(tài)平衡狀態(tài)。動態(tài)平衡有利于晶體排除雜質(zhì)，使金剛石晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加完整，有利于優(yōu)質(zhì)晶體的形成。

　　壓力的大小可以改變原子的內(nèi)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(nèi)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(jié)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(zhuǎn)化為活化原子?？偟膩碚f，在一定范圍內(nèi)增大壓力，即是增大了晶體的生長速度。

　　媒介物質(zhì)的有無對金剛石的生長至關(guān)重要，它起到了降低生長條件的作用。好的媒介物質(zhì)有著與金剛石晶體極其相似的微觀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)附著其上而生長，因此，觸媒結(jié)構(gòu)的好壞，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。在沒有觸媒時，活化的碳原子在正常情況下其內(nèi)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(chǎn)設(shè)備而言，還難以實現(xiàn)。因而，工業(yè)生產(chǎn)金剛石必須有觸媒的存在。

　　4 生長速度的分區(qū)及分析

　　根據(jù)生長速度與堆積速度、熔蝕速度及活化速度的關(guān)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(jù)曲線特性與晶體的關(guān)系分六個區(qū)。

圖2 速度-溫度曲線示意圖

Fig.2 Diagram of Speed-temperature Curve

　?、駞^(qū)：環(huán)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(jié)果是金剛石的生長速度很小。在一般合成條件下，其產(chǎn)品特點為：產(chǎn)品晶形較好，透明度不高，具有一定的雜質(zhì)含量，粒度很細(xì)，強度很低。

　?、騾^(qū)：環(huán)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(chǎn)品特點為：產(chǎn)品晶形較完整，標(biāo)準(zhǔn)晶形為六面體，透明度較高，有一定的雜質(zhì)含量，粒度適中，強度稍高。

　?、髤^(qū)：環(huán)境溫度進(jìn)一步提高，活化迅速，速度基本達(dá)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(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生缺陷，而一些雜質(zhì)也極易被快速的堆積的碳原子包圍固定在晶體內(nèi)部。其產(chǎn)品特點是：晶形較差，標(biāo)準(zhǔn)晶形為六面體，雜質(zhì)含量較高，透明度較差，粒度較大，強度較低。

　?、魠^(qū)：溫度進(jìn)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(dá)到相當(dāng)水平但仍低于堆積速度。這時碳原子堆積迅速，熔蝕也非?？?，晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的缺損及雜質(zhì)由于熔蝕速度的加快而大部分被熔蝕掉。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點是：晶形較好，標(biāo)準(zhǔn)晶形為六面體及六-八面體，透明度較高，雜質(zhì)含量不高，粒度基本適中，強度較高。

　?、鯀^(qū)：溫度更進(jìn)一步增高，活化速度已經(jīng)很低，甚至近于零，活化原子濃度達(dá)到最大，堆積速度同時也達(dá)到最大，熔蝕速度進(jìn)一步增大，直至與堆積速度相當(dāng)，這時晶體生長速度較慢。碳原子迅速堆積而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷及所含雜質(zhì)，由于熔蝕速度加大而基本全部熔蝕掉，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整、雜質(zhì)含量很低的優(yōu)質(zhì)晶體。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點為：晶形完好，標(biāo)準(zhǔn)晶體為多面體，透明度很好，雜質(zhì)含量很低，粒度適中，具有良好的強度，部分晶體可見熔蝕現(xiàn)象。

　?、鰠^(qū)：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(qū)不能形成晶體。若整個合成過程跨越兩個區(qū)，在Ⅴ區(qū)時間較長，Ⅵ區(qū)時間較短時，仍能獲得優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，則是大部分晶體可見熔蝕現(xiàn)象。

　　5結(jié)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(qū)生長速度適當(dāng)，能生成晶形較好的晶體，尤以Ⅴ區(qū)最為重要，能生成品質(zhì)優(yōu)良的金剛石產(chǎn)品。目前，我國絕大部分生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，從晶形特征上看，都應(yīng)屬于Ⅱ、Ⅲ區(qū)產(chǎn)品。要想從根本上解決質(zhì)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(diào)整合成參數(shù)。

　　由于金剛石的合成是一個非常復(fù)雜的過程，合成腔內(nèi)的溫度測定對大多數(shù)廠家來說難之又難，即使有辦法測定，準(zhǔn)確度也難以確認(rèn)，因而，本文對各區(qū)的討論僅限于定性分析。在實際操作中，應(yīng)仔細(xì)觀察產(chǎn)品特征，確定該工藝所處的區(qū)域，仔細(xì)研究其合成參數(shù)，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(yù)熱溫度等。