铁基触媒合成含硼金刚石及其电学性能表征

摘要

纯净的金刚石晶体内无自由电子，是一种良好的绝缘体，室温下其电阻率为10<,13>Ω·cm。当金刚石中掺入少量硼原子后可使其电阻率下降，成为典型的半导体材料。含硼金刚石具有禁带宽、击穿场强高、载流子迁移率高、介电常数低和导热性能好等优异的半导体性能。同时，由于它具有化学稳定性好、硬度高、耐磨性和抗辐射能力强等特点，特别适合制造可以在较高的温度和恶劣的环境下工作的高性能电子元器件，是一种有发展前途的高温、大功率半导体材料。 鉴于国内外对高温高压方法合成的颗粒状含硼金刚石单晶的电学性能研究较少的现状，本文采用自行设计、制备的电阻一温度测量装置对含硼金刚石的电阻一温度特性进行测定，进而分析含硼金刚石的电学性能。利用体视显微镜、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)等现代分析和表征手段，系统研究了普通金刚石和含硼金刚石的形貌、结构以及硼的掺入状态。此外，利用差热分析仪、静压强度测定仪对金刚石的常用性能进行了测定。 以掺杂硼铁粉的铁基触媒，配以石墨为碳源，在高温高压条件下合成出具有六一八面体晶型、抗压强度为MBD<,6>级的含硼金刚石单晶。 对普通金刚石和含硼金刚石的形核率、单晶颗粒的大小、晶型、颜色以及晶面的微观组织形貌对比研究表明，随着铁基触媒中硼含量的增加，金刚石的形核率先上升后下降，粒度逐渐变大，颜色也逐渐加深。含硼金刚石表面有阶梯状生长台阶、河流状结晶、树枝状结晶等花纹图样。 电子探针(EPMA)研究证实，含硼金刚石表面有硼元素的存在，但强度信号较弱。随着触媒中硼含量的增加，硼元素的信号有所增强，且(111)晶面的硼含量大于(100)晶面。 XRD谱和Raman谱分析都表明，含硼金刚石与普通金刚石的物相基本相同，都为立方结构，其中含硼金刚石的(111)面特别发达，因而八面体晶型呈现数量较多。硼原子进入金刚石晶格后，使Raman谱线位移向低波数偏离，半峰宽增加。 用自制的电阻一温度测量仪对含硼金刚石进行电阻一温度曲线测量。结果表明，在低温加热范围内，随着温度升高，电阻逐渐降低。由lnR与1/T关系曲线求出金刚石中硼原子的电离能△E为O.368ev，较好的证明了合成的金刚石具有半导体的特性一负的电阻温度系数。继续升温，金刚石内的杂质发生电离，当杂质全部电离时，金刚石处于半导体的饱和区。当温度达到500℃左右时，金刚石进入本征电离区。 金刚石的差热分析研究表明，含硼金刚石比普通金刚石的起始氧化温度提高约100℃～200℃，耐热性明显改善。但当硼含量较高时，金刚石的抗氧化性降低，说明在金刚石中存在一个最佳含硼量。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

第2章实验内容与方法

第3章电阻—温度测量装置的制备

第4章含硼金刚石的形貌与结构

第5章含硼金刚石的电学性质

第6章结论与展望

参考文献

致谢

附录