触媒法合成钻石的形成机制

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　　触媒法合成钻石是利用比直接法低的压力，如低于120×l08 Pa的静态超高压高温技术(一般用60×lOs Pa左右)，通过石墨等碳质原料同某些金属或合金的反应生长钻石。显然所用的金属和合金能降低石墨等碳质原料生成钻石所需的压力和温度，并增加这种相变的速率。人们对这种形成机理的认识并不一致，可归纳为三种典型观点，即溶剂学说、触媒(催化)学说和固相转化学说，试图说明这些金属和合金在这种形成过程中的作用。

钻石

　　溶剂学说认为，所用金属起着碳的溶剂作用。在静态超高压高温下，石墨以原子方式溶进液态金属成过饱和溶液，然后在钻石稳定区析晶成钻石。持这种观点的人不排除在钻石结晶过程中，金属可能有催化作用。但认为使石墨等碳质原料不断溶解，钻石不断析晶，将取决于石墨等碳质原料和钻石在所用溶剂中的溶解度之差。所用金属的作用就是使石墨断键，石墨晶体解体成原子进入液态金属。当温度超过激发碳原子成sp3型，而又不超过溶解度上限时，钻石就自发成核和生长。因此，在这种过程中，可能没有催化作用和固相转化。

 

　　催化学说认为，所用金属或合金是一种催化剂。在静态超高压高温下，石墨等碳质原料加金属或合金后，发生浴解，碳原子通过起催化作用的活动金属薄膜析出钻石。金属薄膜的出现，可以降低金属和钻石之间的表面能(界面能)，这就是催化作用的一个标志。还认为所用金属有利于钻石的外延生长。该学说并不排除钻石从过饱和的金属溶液中析出，但认为这是附带性的，不是主要过程。

 

　　固相转化学说认为，石墨和钻石有某种结构上的相似之处，所以石墨晶体无需断键解体，只要通过简单的晶格形变就形成钻石结构。即金属原子进入石墨晶格以固相方式变为钻石。

 

　　以上所述的三种典型观点或学说，各自具有一定的合理性，也具有一定的局限性，无法解释所有的实验现象和规律性。为了进一步探索和研究这种合成钻石的形成机制，人们将这些相对孤立的典型观点或学说有机地结合起来，发展为新的学术观点--熔(溶)媒激发复合机制。下面简单介绍该机制的主要内容。

 

　　众所周知，在常压、高温下，碳与过渡金属可以形成间(填)隙固溶体和间(填)隙化合物。这类金属d带空穴越多，与碳形成的间(填)隙相越稳定，生成热也越大，这是因为碳的价电子移入d带可以降低整个电子系统的能量。