掺杂是调控金刚石性能的一种重要手段。本文采用温度梯度法, 在5.6 GPa、1 312 ℃的条件下, 选用Fe3P作为磷源进行磷掺杂金刚石大单晶的合成。金刚石样品的显微光学照片表明, 随着Fe3P添加比例的增加, 金刚石晶体的颜色逐渐变深, 包裹体数量逐渐增加, 晶形由板状转变为塔状直至骸晶。金刚石晶形的变化表明Fe3P的添加使生长金刚石的V形区向右偏移, 这是Fe3P改变触媒特性的缘故。红外光谱分析表明, Fe3P的添加使金刚石晶体中氮含量上升, 这说明磷的进入诱使氮原子更容易进入金刚石晶格中。激光拉曼光谱测试表明, 随着Fe3P添加比例的增加, 所合成的掺磷金刚石的拉曼峰位变化不大, 其半峰全宽(FWHM)值变大, 这说明磷的进入使得金刚石晶格畸变增加。XPS测试结果显示, 随着Fe3P添加比例的增加, 金刚石晶体中磷相对碳的原子百分含量也会增加, 这意味着添加Fe3P所合成的金刚石晶体中有磷存在。

本文以Ni70Mn25Co5和Fe64Ni36合金及其复合合金作为触媒, 采用高温高压温度梯度法在5.6 GPa压力下, 对不同温度下沿(100)晶面生长的Ⅰb型金刚石的生长特性进行了研究, 研究表明: 以Fe64Ni36触媒合成出的金刚石在以(111)晶面为主的晶形高温生长范围内出现了一段约50 K范围的裂晶生长区, 而以Ni70Mn25Co5触媒合成的金刚石在生长温度范围内, 特别是在以(111)晶面为主的晶体生长高温区域内容易出现连晶缺陷；高温下Fe64Ni36触媒过度熔融可能是晶体容易产生裂晶的原因, Ni70Mn25Co5触媒熔体黏性较低可能是容易形成连晶的原因；采用两种触媒复合的方式有效避免了裂晶和连晶的产生；拉曼光谱表征发现连晶的晶体内部质量与单晶的晶体质量相近, 裂晶中晶格畸变和杂质较多, 晶体内应力较大, 复合触媒体系合成的金刚石晶体内应力小, 质量好。

作为天然金刚石生长环境的碳酸盐, 研究其掺杂对人造金刚石晶体生长行为的影响具有重要的学术价值。本文运用高温高压下的温度梯度法, 将碳酸钙(CaCO3)按照不同比例掺杂到金刚石合成腔体内的碳源中, 用以研究其掺杂对金刚石分别沿(100)或(111)晶面生长行为的影响。利用光学显微成像对掺杂合成金刚石晶体形貌的表征表明: 随着碳酸钙掺量的增加, 沿(100)面生长的金刚石晶形由塔状变为板状且出现了裂晶、连晶现象, 晶体颜色先变浅再变黑, 内部出现了包裹体；同样, 沿(111)面生长的金刚石晶形由板状逐渐变为塔状且出现了裂晶、孪晶现象, 晶体颜色逐渐变黑, 内部包裹体增多。用激光拉曼光谱对掺杂金刚石晶体质量的表征表明: 随着碳酸钙掺量的增加, 沿(100)或(111)面生长的掺杂金刚石的拉曼峰位偏移量均增大, 半峰全宽均变大。这说明碳酸钙掺杂使得金刚石晶格畸变增加、内应力变大。本文对碳酸钙掺杂影响沿两不同面生长金刚石的晶形、颜色、内部质量等行为的成因进行了分析, 为本课题后续研究奠定了基础。

本文通过温度梯度法在5.5 GPa和1 300 ℃的条件下合成了硼、氮共掺杂金刚石单晶。随后分别在5.0 GPa，2 000 ℃和2 100 ℃的条件下对合成金刚石进行了高温高压(HPHT)退火处理。傅里叶红外光谱(FT-IR)测试表明高温高压退火后晶体内部单一替代形式的C心氮转变成了聚集态A心氮，且随着退火温度的升高A心氮的含量提高。晶体内部带正电荷的氮离子N+的含量并未受到退火处理的影响。经过高温退火后晶体内部出现了NV0和NV-色心，但是继续提高退火温度时NV色心消失。高温高压退火并未对金刚石晶体的结构及内应力产生明显的影响。高温高压退火处理后金刚石晶体的热稳定性能提高，其起始氧化温度、剧烈氧化温度以及质量急剧减少的温度点分别提高了65 ℃、55 ℃以及61 ℃。本文对高温高压退火处理应用到硼、氮共掺杂金刚石提供了指导。