含硼金刚石的特点及优势

2021/03/12 来源:网络转载 点击量：

含硼金刚石的导电性、耐腐蚀、抗氧化等性能相比于普通金刚石晶体大幅提升，结构示意图如下图所示，从中不难看出含硼金刚石和普通金刚石的主体结构相似，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结构。原本普通金刚石的表面结构存在没有利用的价电子，较容易被氧化。而硼原子的掺入使得金刚石的多余价电子被结合，使得含硼金刚石结构没有悬挂键，形成了硼碳原子相结合的共价键并具有稳定的状态。

含硼金刚石晶体中的硼含量一般很低，但对改善和提高金刚石晶体性能的影响是显著的。研究结果表明，硼元素对金刚石的影响主要在以下几个方面：

①颜色：在显微镜下观察，金刚石由于硼含量浓度的不同，分别呈无色、蓝色或黑色。蓝色金刚石晶体在电子工业中用作半导体材料，其它颜色晶体常用作磨料与工具材料。

②耐热性：含硼金刚石的表面起始氧化温度比普通金刚石的高150℃~250℃。其原因是因为硼原子与金刚石表面上的碳原子成键时形成硼碳结构，没有多余价电子与外来缺电子原子如氧原子发生反应，金刚石处于稳定状态，晶体的耐热性提高。但晶体内硼原子含量的变化，会使表面起始氧化温度有所不同。

③冲击韧性：冲击韧性是检测金剐石质量水平的重要手段之一。黑色含硼会刚石工具有良好的冲击韧性，车刀在载荷断续切削共晶硅铝合金、粉末钛合金、玻璃钢等材料时很少崩刃。

④耐磨性：含硼金刚石晶体的耐磨性和研磨能力好，特别适用于研磨硬而韧的材料，可用作耐磨涂层、磨料、钻头、切削刀具等。

⑤化学惰性：用黑金刚石聚晶做成的车刀，可以切削高硬度的淬火钢材。在切削过程中与铁的粘连现象比普通金刚石刀具小，不粘刀，不形成切削瘤，工件的加工质量显著提高。这是因为普通金刚石表面的碳原子与铁族金属表面上的缺电子原子相互靠近时，可以相互联结成键，产生粘连作用；而含硼金刚石表面的硼原子因为没有多余的价电子与铁族金属表面上的对应原子相互联接成键，所以不会产生粘刀现象，这与含硼金刚石具有良好的耐热性在本质上是一样的。

⑥半导体性能：金刚石晶体中掺入硼、氮或磷元素之后，可由绝缘体转变为半导体甚至导体。具有三个价电子的硼原子进入金刚石晶格后会以替位形式取代碳原子成为受主中心，晶格中产生空穴载流子，金刚石成为空穴半导体，这种掺杂称为P型掺杂。硼在金刚石中的杂质能级位于价带顶上方0.37eV处，是浅受主杂质。随硼含量的增加，金刚石的电导率增加。对掺硼的金刚石薄膜的分析结果表明，掺硼浓度达到1020cm-2的金刚石，在室温下空穴迁移率可达到1500cm²v-1s-1，电阻率为10-²Ωcm。