金剛石具有極其優(yōu)異的性能，例如硬度最高和導(dǎo)熱率最大，透光帶最寬以及耐酸堿腐蝕性能強(qiáng)。此外，金剛石的色心(氮空位(NV)中心、硅空位(Si?V)中心等)在室溫下具有很高的光穩(wěn)定性，使其成為量子物理學(xué)中潛在的重要基礎(chǔ)材料。?

例如，元素六近日正式推出首款商用量子金剛石，為那些那些研究氮空位中心(用于量子演示、脈射器、射頻輻射探測(cè)、陀螺儀、傳感和進(jìn)一步項(xiàng)目)的人提供一種理想的初始材料。

另一方面，天然鉆石形成于地球深處，Si是巖石和礦物中含量很高的元素。因此，與Si有關(guān)的雜質(zhì)廣泛存在于天然鉆石中。因此，在高溫高壓（HPHT）條件下對(duì)硅摻雜金剛石進(jìn)行研究，不僅有利于考慮金剛石功能化的擴(kuò)展，而且有助于探討Si對(duì)自然金剛石生長(zhǎng)的影響。?

鄭州大學(xué)房超等利用國(guó)產(chǎn)立方高壓裝置進(jìn)行金剛石合成的高溫高壓實(shí)驗(yàn)，在具有溫度梯度的種子上進(jìn)行金剛石生長(zhǎng)。將硅粉（Si濃度0.25-8wt％）在高溫高壓條件下添加到鎳基金屬催化劑中，以研究其對(duì)大型單晶金剛石生長(zhǎng)的影響。?

圖1. HPHT合成的金剛石圖：（A）合金錘+葉蠟石組裝塊；（二）樣品組裝：1.鋼蓋；2.袖子? ? ? 3.碳源；4.合成水晶；5.石墨加熱器；6。葉蠟石 7.保溫柱；8.鎳基金屬催化劑；9.籽晶。

? ? ?圖2 由具有Si添加劑的Ni基金屬催化劑體系合成的金剛石晶體的光學(xué)圖像：(A)0.25wt%；(B)0.5wt%；(C)1.0wt%；(D)2.0wt%；(E)3.0wt%；(f?j)與(a?e)的側(cè)視圖相對(duì)應(yīng)。

? ? 圖3 含Si添加劑的Ni基金屬催化體系合成的金剛石晶體光學(xué)圖像為：(a)4.0wt%；(b)5.0wt%；(c)6.0wt%；(d)8.0wt%；(e?g)對(duì)應(yīng)于(a?c)的側(cè)視圖；(h)對(duì)應(yīng)于(d)的? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?局部放大視圖。

根據(jù)以上光學(xué)照片和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可以看出，Si含量的增加導(dǎo)致金剛石夾雜物的分布遵循點(diǎn)狀→片狀→線(xiàn)狀趨勢(shì)。

最終結(jié)果表明，高Si含量的完整晶體很難生長(zhǎng)。Si對(duì)鎳基金屬催化劑中金剛石的質(zhì)量有顯著影響，因此，優(yōu)化催化劑的選擇是未來(lái)生長(zhǎng)高質(zhì)量摻硅大單晶金剛石的關(guān)鍵因素之一。?

房超等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，Si摻雜會(huì)增加了晶體內(nèi)部的應(yīng)力，影響金剛石的晶體質(zhì)量，但是可以通過(guò)降低合成環(huán)境中的氮濃度，從而提高摻Si金剛石的質(zhì)量。?本文通過(guò)探討研究Si添加下金剛石的合成與生長(zhǎng)特性，為今后工業(yè)化合成高質(zhì)量金剛石提供了有價(jià)值的參考。（中國(guó)超硬材料網(wǎng)編譯整理）