本發(fā)明涉及金剛石的制備方法，具體涉及一種促進低壓下石墨相變制備金剛石的新方法。

背景技術(shù)：

1、金剛石因其獨特的晶體結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)異的力學、電學、熱學、聲學和光學特性，在工業(yè)生產(chǎn)、電子電器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而，天然金剛石在大自然中的儲量相對稀少，導致價格高昂。人工合成的金剛石在晶體結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)上與天然金剛石高度相似，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并且其成本相對較低，具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。因此，人造金剛石技術(shù)發(fā)展迅猛，不僅滿足了經(jīng)濟建設(shè)的迫切需求，也推動了科技進步的發(fā)展。作為碳元素的兩種常見同素異形體，石墨和金剛石相互轉(zhuǎn)變的研究長期備受關(guān)注。目前，高溫高壓法和爆轟法是以石墨作為原料制備金剛石最常見的兩種方法。高溫高壓作為一種典型的合成方法，經(jīng)過多年的研究，現(xiàn)已成為工業(yè)上最常見的合成金剛石的方法之一。高溫高壓法完全模擬了天然鉆石在地下生長的自然機理，一般需要10gpa、3000℃以上的壓力和溫度，讓石墨中的碳原子重新組合成金剛石的結(jié)構(gòu)。爆轟法是利用烈性炸藥爆炸產(chǎn)生的瞬間高溫高壓環(huán)境來制造納米金剛石顆粒。該方法得到的納米金剛石產(chǎn)量大，但是金剛石顆粒尺寸較小且與原料混在一起，后處理十分困難，提純工藝非常復雜。兩種方法均存在一定的局限性。因此，發(fā)展一種新型制備金剛石的方法成為迫切需求。

2、發(fā)明人的前期研究表明，利用鉭絲作為熱源的熱絲化學氣相沉積(hfcvd)設(shè)備所生長的金剛石是在ta原子作用下由石墨相變而來；并證明ta原子可使石墨自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?，為基于石墨制備金剛石提供了新思路。發(fā)明人前期還利用hfcvd系統(tǒng)中的鉭絲作為鉭源，在壓制石墨片表面沉積ta原子，經(jīng)過退火處理后獲得金剛石(見專利文件cn202310059001.2)。該專利文件中所使用的基底是由尺寸較小(粒徑尺寸1μm)的石墨粉壓制而成，限制了相變得到的金剛石的尺寸?；诖艘蛩?，發(fā)明人以尺寸較大的單晶鱗片石墨(粒徑尺寸5μm)作為替代，通過改變hfcvd系統(tǒng)中鉭絲處理氣壓以及退火溫度，獲得了尺寸更大的金剛石(見專利文件cn202311754625.2)。但上述方法在熱絲沉積ta的過程中均會不可避免的形成氧化鉭，減少了單分散ta原子的量。因此，本申請中，發(fā)明人以沉積ta的單晶鱗片石墨作為基底，以微波等離子體化學氣相沉積(mpcvd)系統(tǒng)中氫等離子體對氧化鉭進行還原，使氧化鉭更多轉(zhuǎn)化為單分散ta原子，進而促進低壓下石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?/p>

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種石墨低壓相變制備金剛石的方法，該方法利用全自動壓片機將單晶鱗片石墨粉壓制成石墨片后置于hfcvd系統(tǒng)中，在石墨片表面沉積ta原子，而后將負載ta原子的石墨片置于mpcvd系統(tǒng)中進行氫等離子體處理，在低壓下將石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?/p>

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種石墨低壓相變制備金剛石的方法，包括以下步驟：

4、(1)制備單晶鱗片石墨片：將單晶鱗片石墨微粉放入壓片機中，壓制成單晶鱗片石墨片；

5、壓片機工作參數(shù)：施加30mpa壓力，保持該壓力并壓制2min；

6、優(yōu)選單晶鱗片石墨片的直徑13mm，厚度1.1mm；

7、(2)鉭絲處理：升起hfcvd鐘罩，將鉭絲安裝到夾具上，將步驟(1)所得單晶鱗片石墨片作為襯底放入hfcvd設(shè)備中的樣品臺上，石墨片位于鉭絲正下方，降鐘罩，抽真空，向腔體內(nèi)通入氫氣，隨后在400w功率下，進行鉭沉積15min；

8、優(yōu)選通入氫氣的流量200sccm，氣壓穩(wěn)定在1.0～5.0kpa(優(yōu)選3kpa)；

9、鉭絲為雙螺旋狀，該步鉭絲處理無需碳源，不是進行化學氣相沉積，而是用設(shè)備中的ta絲作為熱源和鉭源進行鉭沉積；

10、(3)氫等離子體處理：將步驟(2)鉭絲處理后的石墨片置于mpcvd系統(tǒng)中，采用氫等離子體處理10～60min(優(yōu)選20min)；

11、優(yōu)選mpcvd系統(tǒng)的微波氫處理功率700w、工作氣壓2.0torr、氫氣流量100sccm；

12、(4)退火處理：將步驟(3)氫等離子體處理后的石墨片封于真空石英管中，然后將石英管置于900℃的馬弗爐中退火15～90min(優(yōu)選30min)，在石墨片上得到金剛石。

13、與現(xiàn)有高溫高壓下將石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸墓に囅啾?，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

14、1、將hfcvd系統(tǒng)中鉭絲加熱時逸出的金屬鉭原子沉積在石墨片上，而后使用氫等離子體處理，使ta沉積過程中形成的氧化鉭更多轉(zhuǎn)化為單分散ta原子，促進低壓下石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?。具有成本低廉、?jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。

15、2、該方法對設(shè)備要求較低、工藝簡單、易于操作。

16、3、與課題組前期在低壓下將石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸墓に囅啾?見專利文件cn202210305804.7)，本發(fā)明獲得了數(shù)量更多、尺寸更大的金剛石，為基于石墨在低壓下相變制備金剛石提供了更為可行的方案。

技術(shù)特征：

1.一種石墨低壓相變制備金剛石的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述石墨低壓相變制備金剛石的方法，其特征在于，步驟(1)中，壓片機工作參數(shù)：施加30mpa壓力，保持該壓力并壓制2min。

3.如權(quán)利要求1所述石墨低壓相變制備金剛石的方法，其特征在于，步驟(1)中，單晶鱗片石墨片的直徑13mm，厚度1.1mm。

4.如權(quán)利要求1所述石墨低壓相變制備金剛石的方法，其特征在于，步驟(2)中，通入氫氣的流量200sccm，氣壓穩(wěn)定在1.0～5.0kpa。

5.如權(quán)利要求1所述石墨低壓相變制備金剛石的方法，其特征在于，步驟(3)中，mpcvd系統(tǒng)的微波氫處理功率700w、工作氣壓2.0torr、氫氣流量100sccm。

6.如權(quán)利要求1所述石墨低壓相變制備金剛石的方法，其特征在于，步驟(3)中，采用氫等離子體處理20min。

7.如權(quán)利要求1所述石墨低壓相變制備金剛石的方法，其特征在于，步驟(4)中，退火30min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種石墨低壓相變制備金剛石的方法，該方法利用全自動壓片機將單晶鱗片石墨粉壓制成石墨片后置于HFCVD系統(tǒng)中，在石墨片表面沉積Ta原子，而后將負載Ta原子的石墨片置于MPCVD系統(tǒng)中進行氫等離子體處理，在低壓下將石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?；本發(fā)明方法較高溫高壓工藝具有成本低廉、節(jié)能環(huán)保、工藝簡單、易于操作等優(yōu)勢。

技術(shù)研發(fā)人員：胡曉君,張有志,魏冰琪,朱志光
受保護的技術(shù)使用者：浙江工業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6