高温高压金刚石生长机理的价电子理论及热力学分析

摘要

人造金刚石单晶不仅具有硬度高、抗腐蚀、高耐磨等优异性能，还具有优良的光学、声学、热学和电学性质，不断表现出其在现代科学技术和发展中的重要作用。目前，最具有工业生产规模与广泛应用价值的金刚石单晶合成方法仍然是高温高压触媒法。高温高压金刚石的生长机理对于指导工业生产金刚石无疑具有重要意义，但由于高温高压下在线检测的困难性，理论研究的难度仍然过大，造成目前学术观点尚未统一，尤其是对金刚石生长的碳源这一关键问题仍存在较大争议，近年来金刚石生长机理方面的研究投入也较少，对机理的研究依然是一个重大的探索性课题。 课题组前期对合成金刚石后的触媒及包覆着金刚石单晶的金属包膜的组织、结构、成分等进行了系统的实验表征，根据前期的实验结果，本文利用余氏理论和程氏理论计算分析了高温高压触媒法金刚石生长中各物相的价电子结构及界面的电子密度，从电子结构角度研究了金刚石生长的碳源问题及触媒的催化作用，探讨了高温高压金刚石生长机理；同时结合热力学理论，解释触媒在其中的变化过程，从热力学角度进一步分析了金刚石生长的碳源问题。从而为金刚石的机理研究开辟了一条新途径，并提出了触媒成分设计的新思路。 本文首先根据材料的热膨胀本质和广义虎克定律，利用晶体的线膨胀系数和弹性常数，建立了晶格常数与温度和压力之间的关系。运用该方法计算六方石墨在不同温度和压力下的晶格常数，所得结果与前人的实验结果非常接近，验证了本文计算方法的可行性。进而计算了金刚石合成过程中各物相(金刚石、石墨、Fe3C、γ-(Fe,Ni)等)的晶格常数随温度和压力的变化，为高温高压条件下晶体的的价电子结构分析提供了计算基础。 根据价电子理论，异相界面的电子密度应连续，则在金刚石晶体生长中，碳源相与金刚石界面的电子密度应保持连续，这是金刚石生长要满足的边界条件。本文对金刚石和石墨的价电子结构分析表明：常温常压下，金刚石和两种石墨各主要晶面之间的最小电子密度差在80％左右，而1600 K、5.5 GPa时最小电子密度差在60％左右，虽然由于温度和压力的作用，金刚石和石墨之间的电子密度有所接近，但仍要要远远大于10％，即在一级近似下是不连续的，不能满足金刚石生长的边界条件。因此从电子结构角度看，触媒法金刚石晶体生长的直接碳源不是来自石墨。另外，石墨结构中共价键的键能随温度和压力变化并不明显，最强键上的键能约为240 kJ/mol，平面网层之间的共价键能非常小，靠范德华力结合。在金刚石合成过程中，部分石墨需以C原子形式溶入似熔态触媒，与触媒合金形成碳化物或间隙固溶体。已有研究证实选择铁基触媒合成金刚石具有较好的应用前景及较高的学术研究价值，课题组前期对合成后的Fe-Ni触媒及包膜进行了系统的研究，发现在包膜/金刚石界面存在着大量的Fe3C和γ-(Fe,Ni)，并推测Fe3C为金刚石晶体生长的碳源相，γ-(Fe,Ni)为催化相。因此，本文以Fe-Ni-C系金刚石晶体生长为例探讨金刚石的生长机理，对合成后包膜中主要物相的价电子结构及界面的电子密度进行了计算分析。对Fe3C的价电子结构及Fe3C/金刚石界面电子密度的分析表明：高温高压状态下，Fe3C/金刚石界面的电子密度在一级近似下是连续的，能够满足金刚石生长的边界条件。因而，高温高压触媒法合成金刚石，并不是由石墨结构直接转变为金刚石结构，而是C原子集团不断从Fe3C中脱落，转移到与之电子密度相近的金刚石界面上，进而完成金刚石晶体的生长。另外，Fe3C的两个主要晶面同金刚石(111)晶面的电子密度连续，可以解释金刚石包裹体中薄片状Fe3C同金刚石(111)面存在着平行的位向关系这一现象。对γ-(Fe,Ni)的价电子结构及y-(Fe,Ni)/Fe3C界面电子密度的分析则发现：γ-(Fe,Ni)/Fe3C界面的电子密度在一级近似下是连续的，这表明在金刚石生长过程中γ-(Fe,Ni)起着促使Fe3C分解的作用即催化作用。可见，价电子理论分析结果与前期实验表征结果是相吻合的。 为了分析不同触媒的催化作用，进而尝试从电子理论上指导触媒的成分设计，本文对采用过渡族金属(Fe、Ni、Mn、Co)及其合金为触媒合成金刚石过程中可能形成的各种Me3C型碳化物与金刚石界面以及不同成分配比的γ-Me固溶体与相应Me3C界面的电子密度分别进行了分析，结果表明：各Me3C型碳化物与金刚石界面的电子密度以及各γ-Me固溶体与相应Me3C界面的电子密度在一级近似下均连续，从而可以认为金刚石生长的碳源相和催化相分别为Me3C和γ-Me固溶体。不同碳化物与金刚石界面的电子密度连续性不同，与金刚石界面保持电子密度连续性越好，结构转化所需要越过的化学势垒越低，也就越容易转变为金刚石结构，在相同的合成条件下，合成的金刚石品质更好。Fe、Ni、Mn、Co合金碳化物与金刚石界面的电子密度连续性基本上都分别好于其单金属碳化物；所有碳化物中，Mn和Co基碳化物与金刚石的电子密度连续性最好；Fe基碳化物与金刚石界面的电子密度连续性好于Ni基碳化物，其中(Fe,Ni)3C/金刚石界面的电子密度连续性最好。不同元素组成及不同成分配比的)γ-Me固溶体与相应Me3C界面的电子密度连续性也不同，连续性越好，越易促使Me3C分解，则金刚石的生长速度越快。其中，γ-(Fe,Ni)随着Ni含量的增加，与Fe3C界面的电子密度连续性基本上呈逐渐变差的趋势。体现实际合成工艺中为，随着Fe-Ni触媒中Ni含量的增加，金刚石的生长速度逐渐变慢，这与金刚石合成实验相吻合。从电子结构的角度提出了良好的触媒剂所应具备的三个条件：高温高压下能与石墨形成Me3C型碳化物；Me3C型碳化物与金刚石生长界面有较高的电子密度连续性；γ-Me固溶体与Me3C型碳化物界面的电子密度连续性适中。根据价电子理论分析的结果，本文对高温高压触媒法金刚石的生长进行了热力学分析，在计算中考虑了体积随温度和压力的变化，结果表明：在金刚石形成之前就有大量Fe3C形成，而在触媒法合成金刚石的温度和压力范围内，Fe3C→C(金刚石)+3γ-Fe反应的自由能变化和石墨→金刚石相变的自由能均为负值，但前者比后者更负，即前者更容易发生。因此，从热力学角度来看，Fe3C的形成降低了石墨转变为金刚石所要越过的势垒，使用铁基触媒合成金刚石晶体的生长来源于Fe3C的分解而不是石墨的直接转变。同时，得出了在1200K以上石墨-金刚石的平衡曲线P-T关系：Peq(GPa)=1.036+0.00236T(K)，这一结果与Bundy计算的平衡线比较接近，从而验证了本文热力学计算方法的可行性。 本文基于价电子理论和热力学理论的计算分析，均支持了“高温高压触媒法合成金刚石单晶的生长来自于Me3C型碳化物的分解，而非石墨结构的直接转变”这一论述。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

本文主要创新点

第1章绪论

1.1引言

1.2人造金刚石合成技术的发展概况

1.2.1高温高压法

1.2.2低压法

1.2.3其它合成方法

1.3高温高压触媒法合成金刚石用触媒及合成机理的研究概况

1.3.1触媒

1.3.2合成机理

1.4金属包膜及包膜/金刚石界面的研究现状

1.4.1金属包膜和包膜/金刚石界面的形貌、成分和结构

1.4.2金属包膜在金刚石合成过程中的作用

1.5高温高压合成金刚石的热力学基础及研究概况

1.5.1石墨→金刚石的P-T相图

1.5.2金刚石结晶的“V”形区

1.5.3石墨向金刚石转变的热力学动力

1.6余氏理论和程氏理论及其应用

1.6.1余氏理论

1.6.2程氏理论

1.6.3余氏理论和程氏理论的联系

1.6.4余氏理论和程氏理论在金刚石研究中的应用

1.7本文研究目的及主要研究内容

第2章理论计算方法

2.1引言

2.2价电子理论计算方法

2.2.1键距差方法

2.2.2键距差分析的几个问题

2.2.3固溶体的价电子结构计算模型

2.2.4异相界面电子结构计算

2.3热力学理论计算方法

第3章晶体的高温高压晶格常数计算

3.1引言

3.2温度和压力对晶体价电子结构的影响

3.3温度对晶体晶格常数的影响

3.3.1晶体的晶格常数与温度之间关系的建立

3.3.2计算示例

3.4压力对晶体晶格常数的影响

3.4.1晶体的晶格常数和压力之间关系的建立

3.4.2计算示例

3.5晶体的高温高压晶格常数计算

3.6本章小结

第4章立方金刚石和石墨的价电子结构分析

4.1引言

4.2立方金刚石及其主要晶面的价电子结构

4.2.1立方金刚石的晶体结构

4.2.2立方金刚石的价电子结构

4.2.3立方金刚石主要晶面的价电子结构

4.3石墨及其主要晶面的价电子结构

4.3.1石墨的晶体结构

4.3.2石墨的价电子结构

4.3.3石墨晶体中共价键的键能

4.3.4石墨主要晶面的价电子结构

4.4金刚石/石墨界面的相对电子密度差

4.5分析与讨论

4.5.1金刚石/石墨界面的电子密度连续性分析

4.5.2石墨在触媒中的溶解

4.6本章小结

第5章Fe-Ni-C系金刚石生长机理的价电子理论分析

5.1引言

5.2 Fe3C及其主要晶面的价电子结构

5.2.1 Fe3C的晶体结构

5.2.2 Fe3C的价电子结构

5.2.3 Fe3C主要晶面的价电子结构

5.3 Fe3C/金刚石界面的电子密度连续性分析

5.3.1 Fe3C和金刚石主要含碳晶面的相对电子密度差

5.3.2 Fe3C中C-C键组成晶面和金刚石相应晶面的相对电子密度差

5.3.3 Fe3C/金刚石界面的电子密度连续性分析

5.4 γ-(Fe,Ni)及其主要晶面的价电子结构

5.4.1 γ-(Fe,Ni)的晶体结构

5.4.2γ-(Fe,Ni)的价电子结构

5.4.3γ-(Fe,Ni)主要晶面的价电子结构

5.5 γ-(Fe,Ni)/Fe3C界面的电子密度连续性分析

5.6讨论

5.6.1前期实验结果

5.6.2金刚石生长机理

5.6.3对包裹体与金刚石晶体位向关系的解释

5.7本章小结

第6章多种金属触媒在金刚石合成过程中的作用分析

6.1引言

6.2 Me3C/金刚石界面的电子密度连续性分析

6.2.1 Me3C型碳化物的价电子结构

6.2.2 Me3C/金刚石界面的相对电子密度差

6.2.3结果分析及讨论

6.3γ-Me固溶体/Me3C界面的电子密度连续性分析

6.3.1 Me3C主要晶面的电子密度

6.3.2 γ-Me/Me3C界面的相对电子密度差

6.3.3结果分析及讨论

6.4本章小结

第7章高温高压金刚石晶体生长的热力学分析

7.1引言

7.2石墨(→)金刚石的热力学分析

7.2.1石墨(→)金刚石相变自由能计算

7.2.2结果分析

7.3 Fe3C(→)C(金刚石)+3γ-Fe的热力学分析

7.3.1 Fe3C(→)C(金刚石)+3γ-Fe反应自由能计算

7.3.2结果分析

7.4 C(石墨)+γFe(→)Fe3C的热力学分析

7.4.1 C(石墨)+γ-Fe(→)Fe3C反应自由能计算

7.4.2结果分析

7.5讨论

7.6本章小结

第8章结论与展望

8.1结论

8.2展望

附录原子状态杂化表

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间专利申请情况

ENGLISH DISSERTAION