金刚石中都有什么杂质该怎么处理!

Question

金刚石中都有什么杂质该怎么处理!

Answer 1

　　金刚石中除按四面体成键方式互相连接的碳元素以外的其他元素及碳结构,都称为杂质.
天然金刚石中的主要杂质是氮,其他元素还有锶、钡、锆、镧、镥、铂、金、银、铅等.
一般来说需要除杂的是人造金刚石,人造金刚石提纯主要是将金刚石合成棒中的触媒金属、叶蜡石、石墨等杂质去除干净.触媒金属目前多采用电解（或酸溶）的方法去除.叶蜡石则采用碱处理的方法.石墨的去除传统一般采用高温加热硫酸和硝酸的方法.通过长期工作实践,去除石墨有以下经验：
1.通过加热硫、硝酸除掉的石墨是极少量的,而金刚石中大量的石墨是通过水洗除去的.
2.金刚石作为一种特殊的磨料,在其相互间不断的摩擦过程,完全可以将依附在其表面的少量石墨研磨成粉状,用水淘洗即可去除.
3.再用酸除金刚石中含有极少金属的过程中也能对其表面少量的石墨起腐蚀作用

人造金刚石提纯新技术研究：气相氧化法是基于金刚石与石墨在空气中的起始氧化温度不同,选择合适的温度将石墨氧化掉,来实现金刚石与石墨、催化剂合金的初分离.


　　金刚石的化学本性在很长时间里都没有被弄清.牛顿首先提出假说：它们是由碳所组成的.直到19世纪末期,这个假说才被实验所证实：把金刚石燃烧并将所得到的二氧化碳数量换算成纯碳,金刚石燃烧后还残留若干灰分,这证明金刚石中存在其他杂质元素.当燃烧透明的金刚石晶体时,灰分为0.02％-0.05％.只有在某些情况下它的数量达4.8％.在灰分中查明存在着下列元素：Fe、Ca、M9、Ti和Si.有的天然金刚石燃烧后,于气态产物里找到氢和氧.还发现存在惰性气体氮、氖等.
　　由于用高灵敏度分析方法(发射光谱仪、分光光度计、等离子体色谱、放射性测量等),因而可以检出微量杂质.发现存在于金刚石中的元素比以前知道的多得多.
　　金刚石中的气体杂质在早期的研究金刚石化学组成的著作里,已指出金刚石中氢的存在.但这些早期文献中,所列的氢的含量,显然是偏高的.
　　金刚石中的氮杂质,最初是用气体色谱法测出的.金刚石中氮的含量变动范围很大,某些晶体中达到0.23％(约4×1020原子／cm3).在红外光谱中,谱线1280cm-1的吸收系数与氮杂质的含量有对比关系.氮的含量可按下式计算
　　n=3.3×10-5N•a
　　式中N为1cm3金刚石晶格中原子数,等于1.73×1023原子/cm3,为波长7.8um(1280cm-1)时的吸收系数.现代分析表明,工型金刚石中氮的含量最大,达0.25％,在Ⅱ型金刚石中它的浓度不高于0.001％.
　　在金刚石中的顺磁中心,往往是单个氮原子,并异质同晶地取代碳.金刚石中这种形态的氮可用电子顺磁共振法来测定.
　　在工.型金刚石中,氮以小片状体存在其晶体中,这些小片状体影响了紫外线和红外光谱的吸收光,降低了热导率等物理性质.l型金刚石也含有氮,但量少,且以分散的顺磁方式存在.在Ⅱ型金刚石中,杂质氮以自由状态存在着,它导致金刚石具有特别的解理性质以及光学性质和热学性质.
　　在研究电子顺磁共振谱时发现,除N14外,在金刚石中还有少量的N15.
　　人造金刚石顺磁共振分析,同样发现含有氮杂质.由Ni-Fe-Mn触媒合成出来的金刚石用电子探针分析谱线可知有氮.
　　金刚石中有氧存在.例如对卡邦纳达的分析结果得知有氧1.5％.
　　金刚石中的金属和非金属杂质进行发射光谱分析时,发现金刚石中有杂质硼.有人研究工型和Ⅱ型透明金刚石晶体,发现其中有些含有硼,硼的含量在大多数情况下与Al、Fe、Mg和Si一样,这是一些经常存在于金刚石中的元素.
　　在具有半导体性(Ⅱb型金刚石)的青色和蓝色的天然金刚石中,必然存在有硼.因为某些研究者认为,这种性质与硼有关.而且目前所知,当天然和人造的金刚石渗硼时便染成深色并变成半导体.
　　金刚石中的杂质钠,是用发射光谱分析确定的.某些研究表明,钠的含量变动在4.4×10-9～4.2×10-6、g／g范围内.有的研究报道,金刚石晶体内外层钠含量不一,某些金刚石晶体外层钠含量达1.4X10-9／g,而在晶体其余部分里的含量不高于5X10-109／g.
　　在进行金刚石化学分析时,镁是作为灰分而经常出现在金刚石中的一种元素.在灰分MgO的含量从痕量到个位数之间的范围内变动.金刚石晶体中镁的含量,如某些测试结果在痕量到0.001％之间.
　　在对金刚石灰分进行化学分析时,首次测出了金刚石中含有铝杂质,灰分中Al2O3的含量可达18.77％.还有些测量结果表明,金刚石晶体中铝的含量大约在0.1×10-89／g之间.同时,在某晶体中铝和硅含量之问的对应关系是：铝的含量越多,硅的含量就越高.
　　在金刚石灰分中,一般都含有硅这个元素,其中SiO2的数量有时占47.08％.有的金刚石晶体硅的含量变动于0.0046％～0.01％之间.
　　用发射光谱分析粗晶中的杂质元素,发现其中含有磷.某些金刚石的灰分中,含磷可达0.25％.
　　在粗晶和有壳的晶体的灰分中,第一次发现杂质钙.作放射分析时,在金刚石中找到了钪.分析中,钪的含量在5.4x10-10～5.2×10-89／g之间.
　　在金刚石灰分中,发现有少量的钛,它的含量在0.001％～0.005％.
　　有的金刚石,锰的含量在2.5X109～2.5×1016g／g之间.金刚石晶体中含有杂质铁.
　　用放射研究时,测出了金刚石中的钴.它的含量在3.1×10-8～7.7x10-79／g之间.
　　用发射光谱分析,几乎总能在金刚石晶体中找到痕量的铜.有些分析,铜的含量在5.6～7.3g／g的范围内.
　　金刚石中的杂质还有锶、钡、锆、镧、镥、铂、金、银、铅.

　　如上所述,金刚石中的主要杂质是氮,它对金刚石的物理性质和晶体结构有很大的影响.在文献中首先划分的两种类型的金刚石之间,它们彼此的区别就在于氮杂质的浓度.在1型金刚石中,氮的含量达4×1020原子／crn3(约0.25％),现在这一类型的金刚石有时被称为“含氮的”金刚石.在Ⅱ型金刚石中,含氮量小于0.001％(1015～1018原子／cm3),与I型金刚石相反,它被称为“无氮的”金刚石.此外,还有中间型金刚石,其中含氮量在0.001％～0.01％范围内变动.
　　根据对金刚石杂质元素的研究可以得出如下结论：在金刚石中几乎总是含有Si、Ca、M9和Mn.经常发现有Na、Ba、Cu、Fe、B、Cr和Ti.在有壳的晶体中,几乎总有Fe和Ti(而且通常是共存的),可是在普通的晶体中,Fe并不多见,而Ti特别少见.其余元素Cr、CO、Zr、P、Sc、La、Lu、Pt、A9、An和Pb在金刚石中有时能找到.在各种晶体里,它们的含量不大,共存关系还不清楚.
　　不同矿床的金刚石中的杂质的浓度(g／g)是不同的.
　　由于人造金刚石有0.1-0.5mm／min的较快的晶体生长线速度,使得它一般都含有较多的杂质.这种情况下,生长的晶体能强烈而严重的包裹石墨、金属和金属碳化物.杂质含量可达3％以上,使金刚石成为不太透明或不透明的晶体.
　　在较慢的生长速度的条件下,生成透明的晶体,在这种晶体里,可以清楚地看出杂质的分布特性.这些杂质除了不规则地散布在整个晶体中外,在某些情况下,杂质相应于晶体的对称要素,有规律地排列着.

　　在人造金刚石中杂质元素的分布在被研究的金刚石中,杂质经常沿着晶体的对称轴排列.它们形成从晶体生长点(此点和晶体几何中心一般不重合)开始向晶体顶端成射线或点线.在八面体晶形的晶体中,杂质中心向八面体顶沿着L.排列是常有的.在某些金刚石中,杂质除线状分布外,还有薄片状、杆状、扁盘状或较大的不规则颗粒杂质.

　　人造金刚石中的杂质成分与选用的金属或合金触媒有关.一般说来,用Ni-Cr-Fe合金触媒合成出来的金刚石,其杂质主要是Ni、Cr、Fe；而用Ni-Mn合金触媒合成出来的金刚石,其杂质主要是Ni和Mn.表l是不同合金触媒合成出来的金刚石的电子探针分析数据.

　　人造金刚石中的杂质成分与选用的金属或合金触媒有关.一般说来,用Ni-Cr-Fe合金触媒合成出来的金刚石,其杂质主要是Ni、Cr、Fe；而用Ni-Mn合金触媒合成出来的金刚石,其杂质主要是Ni和Mn.