CN1314488C - 用于合成含硼金刚石单晶的铁－镍－硼－碳系催化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于合成高品质半导体含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂。该催化剂包括铁、镍、石墨、锰、铜及高硼硼铁或碳化硼；该催化剂的制备方法是：将催化剂的各组分制成粉末，粒度为150～250目；按成分配比将粉料混合均匀；轧制成薄带；在烧结炉中进行低温烧结，再经过精轧、冲片、整形、清理，制成片状催化剂。本发明的催化剂制备方法简单易行，成品率高，工艺成本低；合成的含硼金刚石单晶的晶型好、强度高、粒度大、呈黑色或蓝色，金刚石单晶电阻值为10000～10000000欧姆，具有负的电阻-温度系数，为P型半导体材料。

Description

用于合成含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂及其制备方法

(一)技术领域

本发明属于金属材料领域，特别是用于合成高品质半导体含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂及其制备方法。

(二)技术背景

含硼金刚石属于IIb型金刚石，具有良好的导热性、高温抗氧化性和优异的P型半导体性能，可用于制作在高温、高压、恶劣腐蚀、超大功率和强磁场等工作的半导体器件，如：半导体二极管、三极管等等。国内外已经开展了许多工作，如：俄罗斯科学院矿物与石油地质研究所Yu.V.Pleskov，等人在Russian Journal of Electrochemistry，2002，38，(6)，620-625，刊物上发表论文报道，采用镍基合金作催化剂，在高温高压下合成出含硼金刚石，可用作半导体电极材料；中国科学院上海硅酸盐研究所研制出一种电子探针新的碳标样—人造含硼金刚石，该项研究以光谱纯石墨为原料，以掺入微量硼的镍基合金为催化剂，在高温高压下生长出一种具有较强荧光的P型半导体金刚石；但是，俄罗斯科学院矿物与石油地质研究所Yu.V.Pleskov，等人和中国科学院上海硅酸盐研究所的工作均采用镍基催化剂，因此存在原材料成本高、制造工艺复杂、金刚石的杂质含量较高等缺点。中国专利ZL 00110864.6发明的“铁基合金催化剂及其制备方法”，是Fe-Ni-C系金刚石催化剂，可以在高温高压条件下合成高品位金刚石单晶，但不能合成出高品质半导体含硼金刚石单晶。

(三)发明内容

本发明的目的在于克服镍基催化剂的技术不足，提供一种原材料来源广、工艺简单、成品率高、材料与制造成本低廉；合成的含硼金刚石单晶品质高、颗粒大、呈黑色或蓝色，具有良好的导热性、高温抗氧化性和优异的P型半导体性能。

本发明是通过以下方式实现的：

用于合成高品质半导体含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂，含有铁、镍、石墨、锰、铜，其特征是它还包括高硼硼铁或碳化硼，各组分的重量百分比为：

铁：60～80％；镍：15～28％；石墨：3～8％；锰：0.5～1.0％；铜：0.5～1.0％；高硼硼铁或碳化硼：1～2％。上述组分中铁、镍、锰是常用的金刚石催化剂金属；石墨是为了促进金刚石形核；铜是为了改善金刚石合成工艺；高硼硼铁或碳化硼是供硼剂。

用于合成高品质半导体含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)把铁粉、镍粉、石墨粉、锰粉、铜粉和高硼硼铁粉(或碳化硼粉)球磨到150～250目的粒度，烘干去潮气；

(2)用氢气保护在400℃还原处理6小时；

(3)按照用于合成含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂组分，即：铁60～80％、镍15～25％、石墨3～8％、锰0.5～1.0％、铜0.5～1.0％、高硼硼铁或碳化硼1～2％(各组分按重量百分比计)，将上述粉料混合均匀；

(4)将混合粉料轧制成0.1～0.5mm厚的薄带；

(5)把粉末轧制的薄带在烧结炉中通入保护气氛加热，进行700～1000℃的低温烧结，保温时间不少于4小时；

(6)将烧结薄带再进行精轧、冲片、整形；

(7)清理片状催化剂的表面，除去污染物和氧化膜；

(8)真空包装。

上述的制备方法中，在烧结炉中通入保护气氛可以采用氢气、氮气或氩气。

本发明与常规使用的镍基催化剂相比，原材料和制造成本大幅度下降，合成的含硼金刚石品质高、粒度大，具有良好的导热性、高温抗氧化性和优异的P型半导体性能，易于形成规模化生产。

(四)具体实施方式

下面给出一个本发明的最佳实施例。

采用如下配方配制铁-镍-硼-碳系催化剂：铁粉：75w.t.％；镍粉：19w.t.％；石墨粉：3w.t.％；高硼硼铁粉或碳化硼粉：2w.t.％；锰粉：0.5w.t.％；铜粉：0.5w.t.％。

将上述粉料球磨到150～250目的粒度，烘干去潮气；用氢气保护在400℃还原处理6小时；称量配比混合均匀；将混合粉料轧制成0.3mm厚的薄带；在烧结炉中通入氢气作保护气氛加热，进行850℃的低温烧结，保温时间5小时；将烧结薄带再进行精轧、冲片、整形，制成Φ25×0.3mm的圆片；最后清理表面，真空包装，备用。

在六面顶压机上，按高温高压法和常规工艺规范操作，用制成的Φ25×0.3mm的圆片状铁-镍-硼-碳系催化剂可合成含硼金刚石单晶。金刚石单晶颗粒尺寸≥0.5mm，呈黑色或蓝色，透明度高，测量的电阻值为1000000±100000欧姆，电阻-温度系数为负值，属于P型半导体材料。

Claims (2)

1、用于合成含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂，组分中含有铁、镍、石墨、锰、铜，其特征是催化剂中含有碳化硼，各组分的重量百分比为：

铁：60～80％；镍：15～28％；石墨：3～8％；锰：0.5～1.0％；铜：0.5～1.0％；碳化硼：1～2％。

2、用于合成含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂的制备方法，其特征是该制备方法包括以下工艺步骤：

(1)把铁粉、镍粉、石墨粉、锰粉、铜粉和碳化硼粉球磨到150～250目的粒度，烘干去潮气；

(2)用氢气保护经400℃还原处理6小时；

(3)按照用于合成含硼金刚石单晶的铁-镍-硼-碳系催化剂组分，即：铁60～80％、镍15～25％、石墨3～8％、锰0.5～1.0％、铜0.5～1.0％、碳化硼1～2％(各组分按重量百分比计)，将上述粉料混合均匀；

(4)将混合粉料轧制成0.1～0.5mm厚的薄带；

(5)把粉末轧制的薄带在烧结炉中通入保护气氛加热，进行700～1000℃的低温烧结，保温时间不少于4小时；

(6)将烧结薄带再进行精轧、冲片、整形；

(7)清理片状催化剂的表面，除去污染物和氧化膜；

(8)真空包装。