如果在鉆石中加入硼會(huì)發(fā)生什么？

       金剛石是一種由碳元素組成的礦物。除了最著名的高硬度外，它還具有非常特殊和非凡的物理、機(jī)械和光學(xué)性能，因此它的用途早已不再局限于裝飾品——因?yàn)樗母哂捕龋梢杂糜谇懈?，磨削和鉆孔；由于其高導(dǎo)熱性和良好的電絕緣性，可用作半導(dǎo)體器件的散熱片；其優(yōu)異的透光率和耐腐蝕性也使其在電子工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

       對(duì)于純金剛石，由于沒(méi)有自由運(yùn)動(dòng)的電子，具有5.5ev的寬禁帶寬度，因此具有很高的電阻率，可以作為良好的電絕緣體；但是當(dāng)金剛石與III族或V族元素混合后，摻雜的金剛石不僅具有普通金剛石的特性，還會(huì)轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體材料，例如抗氧化性、化學(xué)惰性和半導(dǎo)體特性等。含硼金剛石得到明顯改善。，大功率電子器件的應(yīng)用具有很大的發(fā)展前景。

添加“硼”后鉆石的變化

        純金剛石摻硼后，含硼金剛石的導(dǎo)電性、耐蝕性、抗氧化性比普通金剛石晶體有很大提高。結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。不難看出，含硼金剛石與普通金剛石的主要結(jié)構(gòu)相似，但由于碳原子的某些位置被硼原子取代，因此具有不同的原子結(jié)構(gòu)。普通金剛石的原始表面結(jié)構(gòu)中存在未使用的價(jià)電子，更容易被氧化。硼原子的摻入使金剛石中多余的價(jià)電子結(jié)合，使含硼金剛石結(jié)構(gòu)沒(méi)有懸空鍵，形成硼-碳原子的共價(jià)鍵，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

      含硼金剛石晶體中的硼含量一般很低，但對(duì)改進(jìn)和增強(qiáng)金剛石晶體性能的作用是顯著的。研究結(jié)果表明，硼對(duì)金剛石的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

      ①顏色：在顯微鏡下觀察，由于硼的濃度不同，鉆石呈無(wú)色、藍(lán)色或黑色。藍(lán)鉆晶體在電子工業(yè)中用作半導(dǎo)體材料，其他顏色的晶體常用作磨料和工具材料。

      ②耐熱性：含硼金剛石表面的初始氧化溫度比普通金剛石高150℃~250℃。原因是當(dāng)硼原子與金剛石表面的碳原子形成鍵時(shí)，形成硼碳結(jié)構(gòu)，沒(méi)有多余的價(jià)電子與氧原子等外來(lái)缺電子原子發(fā)生反應(yīng)，金剛石處于穩(wěn)定狀態(tài)，提高了晶體的耐熱性。但晶體中硼原子含量的變化會(huì)導(dǎo)致表面的初始氧化溫度不同。

      ③沖擊韌性：沖擊韌性是檢測(cè)金石質(zhì)量等級(jí)的重要手段之一。黑硼剛玉刀具具有良好的沖擊韌性，在切削共晶硅鋁合金、粉末鈦合金、玻璃鋼等材料時(shí)，車(chē)刀很少斷裂。

      ④ 耐磨性：含硼金剛石晶體具有良好的耐磨性和磨削能力，特別適用于磨削堅(jiān)硬和堅(jiān)韌的材料。它們可用作耐磨涂層、磨料、鉆頭、切削工具等。

      ⑤化學(xué)惰性：黑金剛石聚晶車(chē)刀可切削高硬度淬火鋼。在切削過(guò)程中，與鐵的粘連現(xiàn)象比普通金剛石刀具小，不粘在刀具上，不形成切削瘤，工件的加工質(zhì)量顯著提高。這是因?yàn)楫?dāng)普通金剛石表面的碳原子與鐵族金屬表面的缺電子原子靠近時(shí)，可以相互結(jié)合，產(chǎn)生粘附力；而含硼金剛石表面的硼原子沒(méi)有多余的價(jià)電子和鐵基團(tuán)。金屬表面對(duì)應(yīng)的原子相互連接形成鍵，所以不會(huì)出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，

      ⑥半導(dǎo)體性能：金剛石晶體摻雜硼、氮或磷后，可從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體甚至導(dǎo)體。進(jìn)入金剛石晶格后，具有三個(gè)價(jià)電子的硼原子將取代碳原子成為受體中心。在晶格中產(chǎn)生空穴載流子，金剛石成為空穴半導(dǎo)體。這種摻雜稱為 P 型摻雜。金剛石中硼的雜質(zhì)能級(jí)位于價(jià)帶頂以上0.37 eV，為淺受主雜質(zhì)。隨著硼含量的增加，金剛石的導(dǎo)電性增加。對(duì)摻硼金剛石薄膜的分析表明，摻硼濃度為10 20 cm -2的金剛石的空穴遷移率為1500cm2 v -1 s -1和 10 -2 Ωcm 在室溫下的電阻率。

摻硼金剛石的制備與應(yīng)用

       由于天然含硼鉆石僅占天然鉆石總量的1-2%，如何人工合成出高品質(zhì)的含硼鉆石是所有生產(chǎn)者和用戶追求的目標(biāo)。目前，大多數(shù)含硼金剛石單晶是在鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)的超高溫高壓裝置上，使用摻硼石墨或摻硼催化劑合成的。其中，硼摻雜催化劑的制備方法有粉末冶金法和催化劑片組織法。

由于含硼金剛石在耐熱性、耐磨性、化學(xué)惰性、抗氧化性、抗壓強(qiáng)度等方面均優(yōu)于普通金剛石，因此近年來(lái)，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，含硼金剛石在各方面都得到了展示。具有巨大的應(yīng)用前景，逐漸成為開(kāi)發(fā)電子發(fā)射電極、光電探測(cè)器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、真空隧道顯微鏡探頭的理想材料。特別是其超導(dǎo)特性的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了含硼金剛石的用途。

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