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宝石级金刚石材料研究的进展

摘要：金刚石的研究将推动超硬矿物材料学液位仪表、宝石矿物材料学，半导体材料科学甚至纳米材料科学等的发展。本文综述了金刚石中的N、H、O、B 及过渡金属等杂质元素。近1、结晶料熔点较高年来金刚石的合成及优化处理的研究成果，探讨了有关的研究方法，为宝石级金刚石材料的系统化研究提供了较为详尽的资料。

对地幔碳元素矿物相———金刚石的研究一直是矿物学家和材料科学家关注的焦点之一。一方面，对金刚石形成的物理化学条件等的研究有力地推动了地幔矿物学及矿床学的发展;另一方面，对金刚石中的杂质及其相关缺陷的深入探讨，有利于分析金刚石性能的变化规律，并以此为契机所进行的金刚石的合成与优化处理，都丰富了超硬矿物材料学、宝石矿物材料学、半导体材料科学甚至纳米材料科学等的研究内容。

西部有丰富的宝石矿物资源，如新疆阿尔泰的有色宝石，云南哀牢山的祖母绿、红宝石等10 余种宝石矿物[1 ] ，广西合浦的海水养殖珍珠和贵州马坪的II 型金刚石等。20 世纪60 年代，我国已成功地合成了小颗粒金刚石，随后研究不断取得进展[2～4 ] 。80 年代末期，作者开始从事宝石矿物材料的优化处理，并与中国原子能研究院合作研究宝石的辐射着色。同时在不同高温条件下对湖南沅水金刚石进行了优化处理[5 ] 。但是，受实验条件限制，研究工作进展缓慢(特别是对宝石级金刚石的合成和优化处理) 。目前，全世界天然产出的金刚石远远不能满足工业、国防和人民生活的需要，这就迫使人们加大金刚石材料的研究力度，尤其是对金刚石中的杂质元素、合成技术及优化处理的研究。

1 宝石级金刚石中的杂质元素

中子活化分析(Neutron Activation Analysis ，NAA)表明[6 ] ，金刚石体内(不包括包裹体中) 含有53 种微量元素;离子束分析( Ion Beam Analysis ， IBA) 研究进一步表明[7 ] ，氮是金刚石中最主要的杂质元素。此外，镁钙砖金刚石中还存在大量的H、O 及Ni 、Co 等过渡金属元素。硼(B) 则是造成一些金刚石呈p 型半导体属性的重要杂质元素。

(1) 氮杂质：氮作为一种施主杂质元素在金刚石中的含量最高，分布最广，也是至今研究得最为详细的杂质元素[8 ] 。当前主要根据氮在金刚石中的含量，将金刚石划分成IaA 型、IaB 型、Ib 型、IIa 型、IIb型及混合型等类型，并建立了氮在金刚石中赋存状态的各种结构模型(如单氮，A 氮心，B 氮心，N3 心及片晶氮等) 。另外，氮对金刚石的颜色具有重要意义：决定金刚石的黄色色调。高斯计由此看来，也具有极强的抗冲击能力氮对金刚石的宝石材料学属性具有决定膜面积到达10万m2性意义。

(2) 硼杂质：硼作为一种受主杂质元素，在金刚石中的含量一般比较低( 3 杂化键) 。然而，由于氢的存在，破坏了这种关联，从而对C60水泥设备分子和金刚石的性能产生巨大的影响。最后，作者在进行金刚石的优化处理过程中发现，氢的存在将影响金刚石的颜色，而且有证据表明，它将引起金刚石的灰色色调。由此可见，氢对于金刚石在宝石材料学、电子材料科学及纳米材料科学均有重要意义。

(4) 氧杂质：由于受到研究手段的制约，目前对金刚石中的氧杂质的赋存状态研究基本属于空白。只是在金刚石中所发现的—OH 及H2O 等与氧有关;另外，在对金刚石的表面矿物学研究时发现有大量的氧存在，且是以—> C= O ， —COOH ， —COH 和> C —O —C