一种硼掺杂金刚石、制备方法及应用技术

一种硼掺杂金刚石、制备方法及应用，属于金刚石的合成技术领域。硼掺杂金刚石的制备方法包括合成步骤：将含有碳源、硼源和含锗催化剂的原料，在预设温度和预设压力下，合成硼掺杂金刚石。其中，预设温度和预设压力均位于相图中金刚石相的稳定区间，且预设温度不低于含锗催化剂的熔点。利用含锗催化剂，在不低于含锗催化剂的熔点且满足金刚石相稳定存在的温压条件下，含锗催化剂可以作为金刚石的溶剂催化物，且含锗催化剂具有半金属的性质和类金刚石的结构，使得碳源和硼源能够形成硼含量较高的硼掺杂金刚石。的硼掺杂金刚石。的硼掺杂金刚石。

【技术实现步骤摘要】
一种硼掺杂金刚石、制备方法及应用


[0001]本申请涉及金刚石的合成
，具体而言，涉及一种硼掺杂金刚石、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]硼掺杂金刚石早在上个世纪90年代就由于其p型半导体的特性持续受到关注，直到2004年被发现具有超导性后得到了更多的研究。由于具有一系列优异的特性，硼掺杂金刚石在电化学方面应用被广泛发掘，合成品质优良的硼掺杂金刚石便是材料科学研究的方向之一。
[0003]由于硼掺杂金刚石的性质受到许多因素的影响，包括形状大小，表面特性，硼掺杂的均匀度，硼的含量，sp2/sp3比率等。目前，在金刚石的两种主要合成方法中，CVD法虽然可以合成较高硼含量的金刚石薄膜，但是合成的体积受到了限制，合成成本也难以降低。高温高压法中，在极高的压强和温度下，石墨与硼混合可以直接得到硼含量较高的金刚石，但是较高的温压条件也提高了合成的成本。
[0004]催化物可以显著降低高温高压法合成金刚石所需的条件，但是，目前大多数研究中使用的基于铁、钴或镍的金属或合金催化物合成得到的硼掺杂金刚石中，硼含量往往较低，难以满足电化学应用的要求。

技术实现思路

[0005]基于上述的不足，本申请提供了一种硼掺杂金刚石及制备方法，以部分或全部地改善相关技术中硼掺杂金刚石的合成成本高、硼含量低的问题。
[0006]本申请是这样实现的：
[0007]在第一方面，本申请的示例提供了一种硼掺杂金刚石的制备方法，包括：
[0008]合成步骤：将含有碳源、硼源和含锗催化剂的原料，在预设温度和预设压力下，合成硼掺杂金刚石；其中，预设温度和预设压力均位于相图中金刚石相的稳定区间，且预设温度不低于含锗催化剂的熔点。
[0009]在上述实现过程中，在原料中加入含锗催化剂，可以使得碳源和硼源在较低的且满足金刚石相稳定区间的温度和压力条件下，形成硼含量较高的硼掺杂金刚石。
[0010]结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，含锗催化剂选自单质锗或/和锗合金。
[0011]在上述实现过程中，利用单质锗或锗合金作为催化剂，可以进一步提高硼掺杂金刚石的含硼量，进一步降低硼掺杂金刚石的合成温度和压力。
[0012]结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，预设温度不低于1000℃。
[0013]可选的，预设温度为1600
‑
1700℃
[0014]结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，预设压力不低于5GPa。
[0015]可选的，预设压力为5
‑
7GPa。
[0016]在上述实现过程中，在不低于1000℃的温度和不低于5GPa的压力下进行硼掺杂金刚石的合成，可以提高硼掺杂金刚石的含硼量。
[0017]结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，硼源选自硼单质和/或硼的化合物；原料中，硼源中的硼的质量含量不超过5％。
[0018]在上述实现过程中，在合成硼掺杂金刚石时，原料中的硼单质或硼的化合物等硼源中的硼的质量占比不超过总质量的5％，可以在获得硼掺杂金刚石的条件下，提高硼掺杂金刚石的硼含量。
[0019]结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，碳源选自石墨和/或碳的化合物。
[0020]可选的，原料中，碳源与含锗催化剂中的锗的质量比为1：1
‑
10。
[0021]可选的，碳源与含锗催化剂中的锗的质量比为1：1。
[0022]在上述实现过程中，在制备硼掺杂金刚石时，利用石墨或者碳的化合物作为碳源，且含锗催化剂中的锗的质量不低于碳源的质量，可以提高硼掺杂金刚石的硼含量。
[0023]结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，原料中添加有金刚石晶种。
[0024]在上述实现过程中，原料中加入有金刚石晶种，可以提高碳源和硼源合成硼掺杂金刚石的合成效率。
[0025]结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，制备方法还包括除杂步骤：将合成步骤获得的硼掺杂金刚石进行酸洗，降低硼掺杂金刚石的金属杂质含量。
[0026]在上述实现过程中，对合成步骤获得的硼掺杂金刚石进行酸洗，可以去除硼掺杂金刚石中的例如锗金属等金属杂质，提高硼掺杂金刚石的纯度。
[0027]在第二方面，本申请的示例提供了一种根据第一方面提供的硼掺杂金刚石制备方法获得的硼掺杂金刚石，掺杂金刚石的硼含量不低于(3
±
1)
×
10
20
cm
‑3。
[0028]在第三方面，本申请的示例提供了一种第二方面提供的硼掺杂金刚石在制备电化学装置中的应用。
[0029]在上述实现过程中，根据第一方面提供的制备方法制备获得的掺杂金刚石，具有不低于(3
±
1)
×
10
20
cm
‑3的硼含量，可以应用于电化学装置。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0031]图1为本申请实施例提供的硼掺杂金刚石的制备流程示意图；
[0032]图2为金刚石相图示意图；
[0033]图3为本申请实施例1提供的硼掺杂金刚石的SEM图；
[0034]图4为本申请实施例1提供的硼掺杂金刚石的拉曼光谱图。
具体实施方式
[0035]下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0036]硼掺杂金刚石在电化学方面应用被广泛发掘，掺杂金刚石的性质受到许多因素的影响，电化学等领域的应用对硼掺杂金刚石的质量提出了一系列的要求，包括形状大小，表面特性，硼掺杂的均匀度，硼的含量，sp2/sp3比率等。
[0037]其中，硼含量的高度是硼掺杂金刚石电化学性能的重要影响因素。为了制备高含量的硼掺杂金刚石，通常需要将石墨与硼混合，在极高的压强和温度下，合成得到硼含量较高的金刚石。例如，在3000℃以上的温度条件和10GPa以上的压力条件下直接进行硼掺杂金刚石的合成。但是，较高的温度和压力条件也提高了硼掺杂金刚石的合成成本。
[0038]为了降低硼掺杂金刚和合成温度和压力条件，目前，大多采用基于铁、钴、镍或锰金属或合金作为催化物，合成硼掺杂金刚石。
[0039]但是，采用基于铁、钴、镍或锰金属或合金作为催化物制备获得的硼掺杂金刚石，其硼含量较低。
[0040]目前，难以在较低的温压条件下合成高硼含量的硼掺杂金刚石。
[0041]基于此，本申请示例提供了一种硼掺杂金刚石的制备方法，以降低硼掺杂金刚石的合成条件和提高硼含量。
[0042]以下结合附图对本申请示例提供的硼掺杂金刚石的制备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硼掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，包括：合成步骤：将含有碳源、硼源和含锗催化剂的原料，在预设温度和预设压力下，合成硼掺杂金刚石；其中，所述预设温度和所述预设压力均位于相图中金刚石相的稳定区间，且所述预设温度不低于所述含锗催化剂的熔点。2.根据权利要求1所述的硼掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，所述含锗催化剂选自单质锗或/和锗合金。3.根据权利要求1所述的硼掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，所述预设温度不低于1000℃；可选的，所述预设温度为1600
‑
1700℃。4.根据权利要求1所述的硼掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，所述预设压力不低于5GPa；可选的，所述预设压力为5
‑
7GPa。5.根据权利要求1所述的硼掺杂金刚石的制备方法，其特征在于，所述硼源选自硼单质和/或硼的化合物；所述原料中，所述硼源中的硼的质量含量不超过5％。6.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王李平，陈奕多，赵予生，王培，李威威，韩松柏，朱金龙，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：