CN107954421A - 一种原子级掺杂金刚石及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种原子级掺杂金刚石及其合成方法，本发明方法工艺简单，在不使用金属触媒、不使用另外的含有掺杂元素的化合物做掺杂剂的状况下，以本身含有掺杂元素的单一组分有机物为前驱体，使用加热加压手段在不是特别苛刻的条件下合成得到原子级掺杂金刚石，有效解决了掺杂剂同碳源机械混合不可能十分均匀的问题、碳源同掺杂剂混合过程中不可控的引入外来杂质污染的问题、掺杂剂本身给金刚石生长过程带来不可控影响的问题和掺杂元素同碳源混合比例不可能控制得十分精确的问题，实现了以原位含有杂质元素的单一组分有机物为前驱体合成原子级掺杂金刚石的目标。本发明掺杂金刚石产品多具有不规则的晶貌，并且许多晶粒以孪晶的形式存在。
Description
技术领域
本发明涉及掺杂金刚石合成技术领域，具体而言，涉及一种原子级掺杂金刚石及其合成方法。
背景技术
金刚石具有极高的硬度、极其稳定的化学性质和极高的导热性能，同时也是一种非常独特的宽禁带半导体材料。近年来，其作为半导体光电材料开始受到人们的热切关注。完美结晶的高纯金刚石具有非常大的能带间隙(高达5.48eV)，这使其具有非常好的绝缘性能，同时使其对于可见光而言近乎完全透明(天然金刚石晶格中往往存在各种各样的缺陷，因而能够表现出鲜艳的色彩)。在金刚石晶格中掺入杂质元素，可以在其能带间隙中引入杂质能级，从而调节其作为半导体的性能，使之能够进一步满足作为半导体功能材料的实际需要。例如，通过掺入硼元素，可以显著的改善金刚石的导电性，使金刚石成为性能优异的P型半导体；通过掺入硅、磷、硫等元素可以使金刚石成为N型半导体(目前，还无法获得具有良好的导电性的N型掺杂金刚石，因此这种半导体还无法投入到实际应用中)。金刚石半导体性能可以通过掺杂来显著改善，这使之在高性能半导体器件制备方面具有非常巨大的应用潜力。另外，进入到金刚石中的杂质元素还会在其晶格中形成各种各样的色心，这些色心在紫外光的辐照下能够发射荧光。例如，硅元素、锗元素、氮元素等进入金刚石晶格后，通过退火处理就能够在金刚石晶格中形成能够发射荧光的硅空位(SiV)色心、锗空位(GeV)色心及氮空位(NV)色心。金刚石色心发光特性(尤其是NV色心)在生物荧光标记、单光子源、量子通讯、纳米测磁、磁力成像等技术领域具有着非常广阔的应用前景。通过可控的掺杂改善金刚石的半导体性能及发光性能，是实现金刚石作为半导体光电材料进入实际应用阶段最关键的环节。
目前，合成原子级掺杂金刚石的方法主要有加热加压(HPHT)、化学气相沉积(CVD)及离子注入等技术方法。加热加压法是目前人工合成金刚石最普遍使用的方法。传统意义上，使用加热加压方法合成掺杂金刚石一般需要将石墨(碳源)、触媒(一般是金属合金)、掺杂剂(含有需要掺杂的元素的化合物)进行均匀混合作为前驱体。这种方法本身就存在一种无法规避的缺点：金属触媒会在金刚石生长过程中对金刚石造成污染，严重影响金刚石的结晶品质及掺杂效果。研究表明，要避免金属触媒污染的问题，使用石墨直接相变的方式来合成金刚石及掺杂金刚石是可行的。但在没有金属触媒的条件下将石墨直接转变成金刚石至少需要12Gpa-25GPa的压强和2300-2500℃的高温，使用石墨直接相变的方法来合成金刚石对温压条件的要求是比较苛刻的，因此很难在实际的生产中进行大规模的应用。
近些年来，人们开始关注使用有机物作为碳源在加热加压条件下合成金刚石的研究。相关技术中，使用碳氢化合物作为碳源合成掺杂金刚石，同使用石墨作为碳源合成掺杂金刚石的手段有一些共同的缺点：(1)前驱体中掺杂剂同碳源的混合不可能十分均匀，这会影响金刚石掺杂的均匀性；(2)前驱体中掺杂元素同碳源的比例不可能十分精确(即掺杂剂同碳源高精准度混合对操作要求非常高)；(3)碳源同掺杂剂混合的过程中，会不可避免的引入外来杂质，这会给金刚石的生长过程带来不可控的污染；(4)掺杂剂本身会给金刚石的生长带来许多未知的影响。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种合成原子级掺杂金刚石的方法，该方法工艺简单，在不使用金属触媒、不使用另外的含有掺杂元素的化合物做掺杂剂的状况下，以本身含有掺杂元素的单一组分有机物为前驱体，使用加热加压手段在不是特别苛刻的条件下合成得到原子级掺杂金刚石。该方法有效解决了触媒污染问题、掺杂剂同碳源机械混合不可能十分均匀的问题、碳源同掺杂剂混合过程中不可控的引入外来杂质污染的问题、掺杂剂本身给金刚石生长过程带来不可控影响的问题和掺杂元素同碳源混合比例不可能控制得十分精确的问题，实现了以原位含有杂质元素的单一组分有机物为前驱体合成原子级掺杂金刚石的技术目标。
本发明的第二目的在于提供一种采用上述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法所合成得到的掺杂金刚石产品，所述的原子级掺杂金刚石产品多具有不规则的晶貌，并且许多晶粒以孪晶的形式存在。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种合成原子级掺杂金刚石的方法，包括：以含有掺杂元素的单一组分有机物作为前驱体，合成原子级掺杂金刚石。
本发明合成原子级掺杂金刚石的方法工艺简单，在不使用金属触媒、不使用另外的含有掺杂元素的化合物做掺杂剂的状况下，以本身含有掺杂元素的单一组分有机物为前驱体，使用加热加压手段在不是特别苛刻的条件下(相对于使用石墨直接合成金刚石)合成得到原子级掺杂金刚石。该方法有效解决了触媒污染问题、掺杂剂同碳源机械混合不可能十分均匀的问题、碳源同掺杂剂混合过程中不可控的引入外来杂质污染的问题、掺杂剂本身给金刚石生长过程带来不可控影响的问题和掺杂元素同碳源混合比例不可能控制得十分精确的问题，实现了以原位含有杂质元素的单一组分有机物为前驱体合成原子级掺杂金刚石的技术目标。
可选地，所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法，包括：对含有掺杂元素的前驱体进行加热加压处理，得到原子级掺杂金刚石产品。
可选地，在加热加压处理之前，对含有掺杂元素的前驱体进行预压。
优选地，所述预压包括对含有掺杂元素的前驱体施压至发生弹性形变恢复现象。
可选地，所述前驱体选自含有掺杂元素的多环芳烃和芳香性杂环化合物中的一种。
可选地，所述前驱体选自氮蒽或菲啰啉。
可选地，所述掺杂元素包括金属元素和非金属元素中的一种或多种。
可选地，所述掺杂元素包括氮、硅、锗、磷、硫、氧、硼、铕和铽中的一种或多种。
可选地，所述掺杂元素在前驱体中的存在形式包括以配合物的形式存在、以取代前驱体内的碳原子的形式存在、以取代前途体中同碳原子结合的氢原子的形式存在中的一种或多种。所述掺杂元素的存在形式包括但是不限于以上形式。
可选地，所述加热加压处理过程中的压强保持在7GPa以上，优选为7-12GPa。
可选地，所述加热加压处理过程中的温度保持在1300℃以上，优选为1300-2000℃。
可选地，所述加压加热反应过程中的升温速率为1-50℃/s，但是并不限于这样的范围。
可选地，所述加压加热反应的时间为20s以上，优选为20-3600s，但是并不限于这样的范围。
可选地，所述加压加热反应完成后，所得产物冷却后再降压。
采用上述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法合成得到的原子级掺杂金刚石产品。
本发明原子级掺杂金刚石产品多具有不是非常规则的晶貌，许多晶粒以孪晶的形式存在。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明合成原子级掺杂金刚石的方法工艺简单，在不使用金属触媒、不使用另外的含有掺杂元素的化合物做掺杂剂的状况下，以本身含有掺杂元素的单一组分有机物为前驱体，使用加热加压手段在不是特别苛刻的条件下(同使用石墨直接合成金刚石对比)合成得到原子级掺杂金刚石。该方法有效解决了触媒污染问题、掺杂剂同碳源机械混合不可能十分均匀的问题、碳源同掺杂剂混合过程中不可控的引入外来杂质污染的问题、掺杂剂本身给金刚石生长过程带来不可控影响的问题和掺杂元素同碳源混合比例不可能控制得十分精确的问题，实现了以原位含有杂质元素的单一组分有机物为前驱体合成原子级掺杂金刚石的技术目标。本发明原子级掺杂金刚石产品多具有不是非常规则的晶貌，许多晶粒以孪晶的形式存在。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明实施例1所得产品的拉曼光谱图。
图2为本发明实施例1所得产品的扫描电镜照片。
图3为本发明实施例2所得产品的X射线衍射谱。
图4为本发明实施例2所得产品的拉曼光谱图和扫描电镜照片。
图5为本发明实施例2所得产品在325nm激光下的光致发光光谱。
图6为本发明实施例3所得产品的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。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。
本发明具体实施方式中一种合成原子级掺杂金刚石的方法，包括：以含有掺杂元素的单一组分有机物作为前驱体，合成原子级掺杂金刚石。
本发明合成原子级掺杂金刚石的方法工艺简单，在不使用金属触媒、不使用另外的含有掺杂元素的化合物做掺杂剂的状况下，以本身含有掺杂元素的单一组分有机物为前驱体，使用加热加压手段在不是特别苛刻的条件下(相对于使用石墨直接合成金刚石)合成得到原子级掺杂金刚石。该方法有效解决了触媒污染问题、掺杂剂同碳源机械混合不可能十分均匀的问题、碳源同掺杂剂混合过程中不可控的引入外来杂质污染的问题、掺杂剂本身给金刚石生长过程带来不可控影响的问题和掺杂元素同碳源混合比例不可能控制得十分精确的问题，实现了以原位含有杂质元素的单一组分有机物为前驱体合成原子级掺杂金刚石的技术目标。
本发明前驱体中应只包含一种有机物，即不另外添加掺杂剂，也不添加金属触媒。
本发明在不添加触媒的情况下，使用某些有机物作为前驱体时，可以在相对比较温和的温压条件下合成金刚石，这样即直接避免了触媒本身必然带来污染的问题，同时又能进一步促进大规模生产实践的实现。而使用有机物做为前驱体之所以能够在比较温和的条件下(相对于使用石墨直接合成金刚石)合成出金刚石，目前认为主要原因有机物中的氢元素对金刚石的成核具有一定的催化活化作用，但是具体氢元素通过怎样的机制发挥作用目前还不是特别清楚。氢发挥作用的形式可能是原子形式，可能是分子形式，也可能是易挥发小分子碳氢化合物(比如甲烷、乙炔等)的形式，还有可能是这些形式的结合。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述的一种原子级掺杂金刚石的合成方法，包括：对含有掺杂元素的前驱体进行加压加热反应，得到原子级掺杂金刚石产品。
本发明一种优选的具体实施方式中，在加热加压处理之前，对含有掺杂元素的前驱体进行预压。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述预压包括对含有掺杂元素的前驱体施压至发生弹性形变恢复现象。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述预压采用冷压方式。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述冷压在室温下进行。
所述预压足够密实的判断依据是，当继续增加预压压力，样品会发生非常明显的弹性形变恢复。
本发明使用单一组分有机物作为前驱体合成原子级掺杂金刚石，前驱体为含有掺杂元素的单一组分有机物，合成的掺杂金刚石中掺杂元素为前驱体中所含有的掺杂元素。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述前驱体选自含有掺杂元素的多环芳烃或者芳香性杂环化合物中的一种。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述前驱体选自氮蒽或菲啰啉，但是不限于这些。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述掺杂元素包括金属元素和非金属元素中的一种或多种。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述掺杂元素包括氮、硅、锗、磷、硫、氧、硼、铕和铽中的一种或多种，但是不限于这些元素。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述掺杂元素在前驱体中的存在形式包括以配合物的形式存在、以取代前驱体内的碳原子的形式存在、以取代前途体中同碳原子结合的氢原子的形式存在中的一种或多种。所述掺杂元素在前驱体中的存在形式包括但是并不限于上面所提到的形式。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述加热加压处理过程，要求压强保持在7GPa以上，优选为7-12GPa。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述加热加压处理过程中的温度保持在1300℃以上，优选为1300-2000℃。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述加压加热反应过程中的升温速率为1-50℃/s，但是不限于这样的范围。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述加压加热反应的时间为20s以上，优选为20-3600s，但是并不限于这一范围。
本发明一种优选的具体实施方式中，所述加压加热反应完成后，所得产物冷却后再降压，比如先将所得产物退火冷却至室温，然后将压强降低至常压。
采用上述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法可合成得到原子级掺杂金刚石产品。
对本发明掺杂金刚石产品进行表征，包括拉曼光谱(Raman)、X射线衍射谱(XRD)、扫描电子显微照片(SEM)、透射电子显微照片(TEM)、傅里叶变换红外光谱吸收谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、二次离子质谱(SIMS)等，但不限于这些表征手段。
本发明所述以氮蒽或者菲啰啉为前驱体所合成得到的原子级掺杂金刚石产品拉曼特征峰可以位于1330.79cm-1、1329.03cm-1、1331.44cm-1，但是不具体限于这些位置，一般是在1331cm-1附近。所述掺杂金刚石拉曼特征峰可在532nm波长激光激发下测得。所述掺杂金刚石拉曼特征峰相对于结晶完好的金刚石拉曼特征峰(1332cm-1)存在偏移，这可能是由掺杂原子在金刚石晶格中造成的应力所致。
本发明所述以氮蒽或者菲啰啉为前驱体所合成得到的原子级掺杂金刚石产品具有位于615.2nm附近的比较尖锐的光致发光谱线。所述的位于615.2nm附近的比较尖锐的光致发光谱线可在325nm波长激光的激发下测得。所述掺杂金刚石产品位于615.2nm附近比较尖锐的光致发光谱线，目前尚未有相关的研究报导，可能的原因是，前驱体分子结构中原位含有的氮原子导致所合成的金刚石中形成了新形式的发光中心。
本发明所述合成的原子级掺杂金刚石，其尺寸主要为0.1μm-20μm，多具有不是非常规则的晶貌，并且许多晶粒以孪晶的形式存在，掺杂类型可以是N型掺杂，也可以是P型掺杂。
本发明所述原子级掺杂金刚石产品中往往包含有同掺杂元素相关的空位中心，比如氮空位中心(N-V)、硅空位中心(Si-V)、锗空位中心(Ge-V)等，但是不限于这些具体提到的空位中心。另外，杂质元素在金刚石晶格中的存在形式也不限于是空位中心的形式，还可以是其它类型的缺陷形式。进一步，一些杂质元素掺入金刚石晶格形成空位中心后，往往会导致金刚石能够在紫外光辐照下发射荧光。更进一步，所述的能够在紫外光辐照下发射荧光的金刚石材料可以用于生物荧光标记、单光子源等技术领域，其中氮空位负电(NV-)中心更是能够表现出非常独特的自旋磁性，这使其在纳米测磁、高分辨磁力成像及量子信息处理等技术领域具有非常好的应用前景。
本发明所述弧面四面体形貌主要是亚微米级别的尺寸，这种形貌目前尚未见到过相关的研究报导，其物理结构及性质有待进一步的表征和研究。本发明所述弧面四面体形貌形成的可能原因是，前驱体分子结构中原位含有的氮原子明显地影响了其高压热解过程及热解产物。
本发明具体实施方式中含有掺杂元素的单一组分有机物可以通过市售购买方式获得，或自行制备得到。
实施例1
一种合成原子级掺杂金刚石的方法，包括：
使用氮蒽(C13H9N，生产商为上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度98％)作为含有掺杂元素N的前驱体。氮蒽直接使用，不经过进一步的提纯处理。
将初始材料进行预压(在室温下)处理，得到致密的样品柱，然后将样品柱置入六-八式二级加压设备的组装件中。
所得样品柱致密的依据是，继续增加预压的压力，样品柱将发生显著地弹性形变恢复；所述二级加压设备的组装件主要包括氧化镁八面体、叶腊石密封条、氧化锆绝热套管、铼管加热管、铬酸镧加热管及氧化镁样品管等。
使用六-八式二级加压设备对样品进行加热加压处理。首先在室温下将样品负载压强提升至目标压强(7Gpa)，然后将压强负载维持为此目标压强不变。随后，以一定的加热速率(50℃/s)将样品温度提升至目标温度(2000℃)，然后将样品温度保持为所述目标温度一段时间(60s)。随后停止加热，待样品温度下降至接近室温时，逐渐降低样品压强负载至常压。所述样品温度是经由C型热电偶(W-5％Re/W-26％Re热电偶)测定，所述压强负载是经由铋、铯等相变物质标定。
在常温常压下对样品进行回收和表征。所述表征手段包括X射线衍技术(XRD)、扫描电子显微分析技术(SEM)、透射电子显微分析技术(TEM)、傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、二次离子质谱法(SIMS)及X射线光电子能谱技术(XPS)。
表征数据表明，氮蒽在经过上述加热加压条件处理之后，回收样品中有金刚石产生。
从图1可以看到，样品的拉曼光谱中既存在金刚石的特征峰(峰位1331.4cm-1、1329.0cm-1)，同时存在石墨的特征峰(1580.4cm-1)。这说明回收样品中同时存在金刚石和石墨两种晶貌。
1)所述金刚石的特征峰位置为1331.4cm-1和1329.0cm-1，实际表征结果并不限于这些位置；
2)所述回收样品中金刚石的拉曼特征峰位置相对于高纯金刚石金刚石的拉曼特征峰位置(1332cm-1)有着不同程度的偏移，说明同一样品中不同金刚石内部应力不同。氮元素的掺入会导致金刚石内部产生应力，故拉曼特征峰位置的相对偏移很有可能与氮元素不同程度的掺入有关；
3)从图1中(a)、(b)可以看到，金刚石的特征峰往往不是单独存在的，说明金刚石并非是纯相的，可能存在有一些无定型碳相；
4)图1中(b)、(c)中，1580.4cm-1位置的拉曼峰为石墨的特征峰，表征石墨缺陷的D峰(1360cm-1)几乎没有出现，说明石墨的结晶品质比较高。
从图2中a、b、c三张扫描电镜照片可以看到，
1)回收样品中石墨多数呈具有一定厚度的椭片状形貌；
2)所述椭片状石墨尺寸是微米级的(较大的高达30μm)；
3)一些金刚石拥有八面体及截角八面体的形貌，许多金刚石晶貌具有高晶面指数的小晶面；
4)金刚石拥有微米级的尺寸；
5)所合成的金刚石多表现出不是非常规则的晶貌；
6)许多金刚石以孪晶的形式存在。
图2中d则说明，回收样品微观形貌中除了有金刚石、石墨的存在，还有许多类似于椭面四面体的晶貌存在，这些椭面四面体绝大多数是亚微米级的。
所得金刚石尺寸大多分布于1-30μm的范围内；所述多数金刚石晶貌不是十分规则，可能是由氮蒽中原位含有的氮原子明显地影响了金刚石的生长过程所致；所述弧面四面体颗粒尺寸普遍小于1μm；所述弧面四面体形貌，目前还未见过相关资料的报导，其物理结构和性质还有待于进一步的表征和研究。所述弧面四面体颗粒产生可能原因是，氮蒽分子结构中原位含有的氮原子明显地影响了其高压热解过程及热解产物。
实施例2
一种合成原子级掺杂金刚石的方法，采用氮蒽(C13H9N，生产商为上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度98％)作为原位含有掺杂元素N的前驱体，工艺方法上区别在于：
目标压强为(12Gpa)；
加热速率为(30℃/s)；
目标温度为(1300℃)；
保温时间为(3600s)。
图3中，圆点下面的峰是金刚石晶面衍射的特征峰，除金刚石的特征峰之外，方块下方及其它的峰均是石墨晶面的衍射峰。
从图4中可以看到：
1)回收样品中明显存在金刚石和石墨两种碳相；
2)回收样品中石墨结晶非常好；
3)回收样品中金刚石结晶非常好；
从图4a可以看到，所金刚石的拉曼特征峰位置可以是1331.2cm-1；
从图4b可以看到：
1)回收样品扫描电镜观测区几乎全部转变成了金刚石；
2)回收样品中金刚石具有微米级的尺寸；
3)一些金刚石拥有八面体或截角八面体的形貌，许多金刚石晶貌具有高晶面指数的小晶面；
4)回收样品中金刚石多具有不是非常规则的晶貌；
5)回收样品中许多金刚石晶粒以孪晶的形式存在；
从图5可以看到：
1)在325nm激光激发下，回收样品中金刚石拉曼特征峰的位置可以是679.5nm；
2)在325nm激光激发下，回收样品中金刚石具有位于615.2nm附近的比较尖锐的光致发光峰；
所得金刚石尺寸大多分布于1-30μm的范围内；所述多数金刚石晶貌不是非常规则可能的原因是，氮蒽分子结构中原位含有的氮原子明显地影响了金刚石的生长过程；所述金刚石位于615.2nm附近的比较尖锐的光致发光峰，同金刚石已知NV色心的发光峰的位置(575nm及638nm)区别比较明显，此发光峰出现的可能原因是，氮蒽分子结构中原位含有的氮原子导致所合成的金刚石中形成了新形式的发光中心。
实施例3
一种合成原子级掺杂金刚石的方法，采用菲啰啉(C12H8N2，生产商为上海阿拉丁生化科技股份有限公司，无水，纯度99％)作为原位含有掺杂元素N的前驱体，工艺方法为：
目标压强为(10Gpa)；
升温速率为(1℃/s)；
目标温度为(1700℃)；
保温时间为(20s)。
从图6中a、b、c、d可以提看到：
1)回收样品中一些金刚石具有八面体或者截角八面体晶貌；
2)回收样品中一些金刚石(绝大多数)具有不是非常规则的晶貌；
3)回收样品中金刚石具有微米级尺寸；
4)回收样品中一些金刚石(许多)金刚石晶粒以孪晶形式存在；
5)回收样品中存在微米级的片状石墨；
6)回收样品中存在(大量)亚微米级的椭面四面体颗粒；
所得金刚石尺寸大多分布于1-30μm的范围内；所述片状石墨尺寸普遍大于10μm；所述多数金刚石晶貌不是非常规则可能原因是，菲啰啉分子结构中原位含有的氮原子明显地影响了金刚石的生长过程；所述亚微米级弧面四面体颗粒尺寸普遍小于1μm；所述弧面四面体形貌，目前还未见过相关资料的报导，其物理结构和性质还有待于进一步的表征和研究；所述弧面四面体颗粒的产生可能原因是，菲啰啉分子结构中原位含有的氮原子明显地影响了其高压热解过程及热解产物。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种合成原子级掺杂金刚石的方法，其特征在于，包括：以含有掺杂元素的单一组分有机物作为前驱体，合成原子级掺杂金刚石。
2.根据权利要求1所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法，其特征在于，包括：对含有掺杂元素的前驱体进行加热加压处理，得到原子级掺杂金刚石产品。
3.根据权利要求2所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法，其特征在于，在加热加压处理之前，对含有掺杂元素的前驱体进行预压。
4.根据权利要求3所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法，其特征在于，所述预压包括对含有掺杂元素的前驱体施压至发生弹性形变恢复现象。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法，其特征在于，所述前驱体选自多环芳烃或芳香性杂环化合物中的一种；
可选地，所述前驱体选自氮蒽或菲啰啉。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法，其特征在于，所述掺杂元素包括金属元素和非金属元素中的一种或多种；
可选地，所述掺杂元素包括氮、硅、锗、磷、硫、氧、硼、铕和铽中的一种或多种。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法，其特征在于，所述掺杂元素在前驱体中的存在形式包括以配合物的形式存在、以取代前驱体内的碳原子的形式存在、以取代前途体中同碳原子结合的氢原子的形式存在中的一种或多种。
8.根据权利要求2所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法，其特征在于，所述加热加压处理过程中的压强保持在7GPa以上，优选为7-12GPa；
可选地，所述加热加压处理过程中的温度保持在1300℃以上，优选为1300-2000℃；
可选地，所述加压加热反应过程中的升温速率为1-50℃/s；
可选地，所述加压加热反应的时间为20s以上，优选为20-3600s。
9.根据权利要求2所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法，其特征在于，所述加压加热反应完成后，所得产物冷却后再降压。
10.一种原子级掺杂金刚石产品，其特征在于，采用权利要求1-9任一所述的一种合成原子级掺杂金刚石的方法合成得到。
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| CN201711329417.2A CN107954421B (zh) | 2017-12-13 | 2017-12-13 | 一种原子级掺杂金刚石及其合成方法 |
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