如果在鉆石中加入硼會發(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、機械和光學性能，因此它的用途早已不再局限于裝飾品——因為它的高硬度，它可以用于切割，磨削和鉆孔；由于其高導熱性和良好的電絕緣性，可用作半導體器件的散熱片；其優(yōu)異的透光率和耐腐蝕性也使其在電子工業(yè)中得到廣泛應用。

       對于純金剛石，由于沒有自由運動的電子，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，還會轉化為半導體材料，例如抗氧化性、化學惰性和半導體特性等。含硼金剛石得到明顯改善。，大功率電子器件的應用具有很大的發(fā)展前景。

添加“硼”后鉆石的變化

        純金剛石摻硼后，含硼金剛石的導電性、耐蝕性、抗氧化性比普通金剛石晶體有很大提高。結構示意圖如下圖所示。不難看出，含硼金剛石與普通金剛石的主要結構相似，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構。普通金剛石的原始表面結構中存在未使用的價電子，更容易被氧化。硼原子的摻入使金剛石中多余的價電子結合，使含硼金剛石結構沒有懸空鍵，形成硼-碳原子的共價鍵，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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

      ①顏色：在顯微鏡下觀察，由于硼的濃度不同，鉆石呈無色、藍色或黑色。藍鉆晶體在電子工業(yè)中用作半導體材料，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℃。原因是當硼原子與金剛石表面的碳原子形成鍵時，形成硼碳結構，沒有多余的價電子與氧原子等外來缺電子原子發(fā)生反應，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導致表面的初始氧化溫度不同。

      ③沖擊韌性：沖擊韌性是檢測金石質(zhì)量等級的重要手段之一。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，車刀很少斷裂。

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

      ⑤化學惰性：黑金剛石聚晶車刀可切削高硬度淬火鋼。在切削過程中，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。這是因為當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，可以相互結合，產(chǎn)生粘附力；而含硼金剛石表面的硼原子沒有多余的價電子和鐵基團。金屬表面對應的原子相互連接形成鍵，所以不會出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，

      ⑥半導體性能：金剛石晶體摻雜硼、氮或磷后，可從絕緣體轉變?yōu)榘雽w甚至導體。進入金剛石晶格后，具有三個價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體。這種摻雜稱為 P 型摻雜。金剛石中硼的雜質(zhì)能級位于價帶頂以上0.37 eV，為淺受主雜質(zhì)。隨著硼含量的增加，金剛石的導電性增加。對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。目前，大多數(shù)含硼金剛石單晶是在鉸鏈式六面頂壓機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、化學惰性、抗氧化性、抗壓強度等方面均優(yōu)于普通金剛石，因此近年來，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。具有巨大的應用前景，逐漸成為開發(fā)電子發(fā)射電極、光電探測器、場效應晶體管、真空隧道顯微鏡探頭的理想材料。特別是其超導特性的發(fā)現(xiàn)，進一步擴大了含硼金剛石的用途。

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