《原子晶体与分子晶体》素材1VIP专享

第三节原子晶体与分子晶体在温室气体中收获金刚石一、大自然赐予人类的礼物二、金刚石人工合成的艰辛而漫长里程由于金刚石具有上述优异性能和用途，加之在自然界中储量极少,开采极为困难,从古到今,金刚石一直被称为“贵族材料〞。人们很早就尝试以人工合成来补充天然储量的缺乏。〔一〕高温高压法合成金刚石1796 年，S.Tennant 将金刚石燃烧成 CO2，证明金刚石是由碳组成的。后来又知道天然金刚石是碳在深层地幔经高温高压转变而来的，因此人们一直 想通过碳的另一同素异形体石墨来合成金刚石。从热力学角度看，在室温常压下,石墨是碳的稳定相,金刚石是碳的不稳定相；而且金刚石与石墨之间存在着巨大的能量势垒。要将石墨转化为金刚石，必须克服这个能量势垒。根据热力学数据以及天然金刚石存在的事实，人们开始模仿大自然的高温高压条件将石墨转化为金刚石 的讨论，即所谓的高温高压(HPHT)技术。早期合成金刚石的想法始于 1832 年法国的 Cagniard 及后来英国的 Hanney 和 Henry Moisson。但直到 1953 年,瑞典的 Liander 等人才通过 HPHT 技术首次成功地合成了金刚石，接着美国 GE 公司的 F.P.Bundy 等人利用 此法也得到了人造金刚石。他们把石墨与金属催化剂相混合，通常使用 Fe、Ni、Co 等金属作催化剂，在约 1300～1500k 和 6～8Gpa 的压强下得到 了金刚石。并于 60 年代将 HPHT 金刚石应用于工具加工领域。不用催化剂合成金刚石的实验在 1961 年获得成功。用爆炸的冲击波提供高压和高温条件，估量压强为 30Gpa, 温度约 1500k，得到的金刚石尺寸为 10 微米。1963 年又在静压下得到了金刚石，压强为 13Gpa，温度高于 3300k，历时数秒钟得到的金刚石尺寸 为 20～50 微米。目前使用 HPHT 生长技术，一般只能合成小颗粒的金刚石；在合成大颗粒金刚石单晶方面，主要使用晶种法，在较高压力和较高温度下(6000MPa， 1800K)，几天时间内使晶种长成粒度为几个毫米，重达几个克拉的宝石级人造金刚石，较长时间的高温高压使得生产本钱昂贵，设备要求苛刻，而且 HPHT 金刚石由于使用了金属催化剂，使得金刚石中残留有微量的金属离子，因此要想完全代替天然金刚石还有相当长的时间；而且用目前的技术生产的 HTHP 金刚石的 尺寸只能从数微米到几个毫米，这也限制了金刚石的大规模应用。〔二〕“百年一逆〞 我们用自己研制的高压反响釜进行实验，用平安无毒的二氧化碳作原料，使用金属钠作为复原剂，...