一种氮掺杂金刚石及其合成方法技术

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

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂金刚石及其合成方法


[0001]本申请涉及金刚石晶体的合成
，且特别涉及一种氮掺杂金刚石及其合成方法。

技术介绍

[0002]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 High Pressure)。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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
[0018]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。
[0019]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；
[0020]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；
[0021]图3为本申请提供的合成产物在光学显微镜下的照片；
[0022]图4为合成产物的拉曼光谱表征图；
[0023]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；
[0024]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。
[0025]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
[0026]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。
[0027]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：
[0028]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。
[0029]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。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王李平，陈家健，赵予生，王培，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：