含硼金剛石的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2021/03/12 來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載 點(diǎn)擊量：

含硼金剛石的導(dǎo)電性、耐腐蝕、抗氧化等性能相比于普通金剛石晶體大幅提升，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，從中不難看出含硼金剛石和普通金剛石的主體結(jié)構(gòu)相似，但是由于碳原子的一些位置上被硼原子替代，使其具有了不同的原子結(jié)構(gòu)。原本普通金剛石的表面結(jié)構(gòu)存在沒有利用的價(jià)電子，較容易被氧化。而硼原子的摻入使得金剛石的多余價(jià)電子被結(jié)合，使得含硼金剛石結(jié)構(gòu)沒有懸掛鍵，形成了硼碳原子相結(jié)合的共價(jià)鍵并具有穩(wěn)定的狀態(tài)。

含硼金剛石晶體中的硼含量一般很低，但對(duì)改善和提高金剛石晶體性能的影響是顯著的。研究結(jié)果表明，硼元素對(duì)金剛石的影響主要在以下幾個(gè)方面：

①顏色：在顯微鏡下觀察，金剛石由于硼含量濃度的不同，分別呈無色、藍(lán)色或黑色。藍(lán)色金剛石晶體在電子工業(yè)中用作半導(dǎo)體材料，其它顏色晶體常用作磨料與工具材料。

②耐熱性：含硼金剛石的表面起始氧化溫度比普通金剛石的高150℃~250℃。其原因是因?yàn)榕鹪优c金剛石表面上的碳原子成鍵時(shí)形成硼碳結(jié)構(gòu)，沒有多余價(jià)電子與外來缺電子原子如氧原子發(fā)生反應(yīng)，金剛石處于穩(wěn)定狀態(tài)，晶體的耐熱性提高。但晶體內(nèi)硼原子含量的變化，會(huì)使表面起始氧化溫度有所不同。

③沖擊韌性：沖擊韌性是檢測(cè)金剮石質(zhì)量水平的重要手段之一。黑色含硼會(huì)剛石工具有良好的沖擊韌性，車刀在載荷斷續(xù)切削共晶硅鋁合金、粉末鈦合金、玻璃鋼等材料時(shí)很少崩刃。

④耐磨性：含硼金剛石晶體的耐磨性和研磨能力好，特別適用于研磨硬而韌的材料，可用作耐磨涂層、磨料、鉆頭、切削刀具等。

⑤化學(xué)惰性：用黑金剛石聚晶做成的車刀，可以切削高硬度的淬火鋼材。在切削過程中與鐵的粘連現(xiàn)象比普通金剛石刀具小，不粘刀，不形成切削瘤，工件的加工質(zhì)量顯著提高。這是因?yàn)槠胀ń饎偸砻娴奶荚优c鐵族金屬表面上的缺電子原子相互靠近時(shí)，可以相互聯(lián)結(jié)成鍵，產(chǎn)生粘連作用；而含硼金剛石表面的硼原子因?yàn)闆]有多余的價(jià)電子與鐵族金屬表面上的對(duì)應(yīng)原子相互聯(lián)接成鍵，所以不會(huì)產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，這與含硼金剛石具有良好的耐熱性在本質(zhì)上是一樣的。

⑥半導(dǎo)體性能：金剛石晶體中摻入硼、氮或磷元素之后，可由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體甚至導(dǎo)體。具有三個(gè)價(jià)電子的硼原子進(jìn)入金剛石晶格后會(huì)以替位形式取代碳原子成為受主中心，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。硼在金剛石中的雜質(zhì)能級(jí)位于價(jià)帶頂上方0.37eV處，是淺受主雜質(zhì)。隨硼含量的增加，金剛石的電導(dǎo)率增加。對(duì)摻硼的金剛石薄膜的分析結(jié)果表明，摻硼濃度達(dá)到1020cm-2的金剛石，在室溫下空穴遷移率可達(dá)到1500cm²v-1s-1，電阻率為10-²Ωcm。