如果在钻石中加入硼会发生什么？

       金刚石是一种由碳元素组成的矿物。除了最著名的高硬度外，它还具有非常特殊和非凡的物理、机械和光学性能，因此它的用途早已不再局限于装饰品——因为它的高硬度，它可以用于切割，磨削和钻孔；由于其高导热性和良好的电绝缘性，可用作半导体器件的散热片；其优异的透光率和耐腐蚀性也使其在电子工业中得到广泛应用。

       对于纯金刚石，由于没有自由运动的电子，具有5.5ev的宽禁带宽度，因此具有很高的电阻率，可以作为良好的电绝缘体；但是当金刚石与III族或V族元素混合后，掺杂的金刚石不仅具有普通金刚石的特性，还会转化为半导体材料，例如抗氧化性、化学惰性和半导体特性等。含硼金刚石得到明显改善。，大功率电子器件的应用具有很大的发展前景。

添加“硼”后钻石的变化

        纯金刚石掺硼后，含硼金刚石的导电性、耐蚀性、抗氧化性比普通金刚石晶体有很大提高。结构示意图如下图所示。不难看出，含硼金刚石与普通金刚石的主要结构相似，但由于碳原子的某些位置被硼原子取代，因此具有不同的原子结构。普通金刚石的原始表面结构中存在未使用的价电子，更容易被氧化。硼原子的掺入使金刚石中多余的价电子结合，使含硼金刚石结构没有悬空键，形成硼-碳原子的共价键，处于稳定状态。

      含硼金刚石晶体中的硼含量一般很低，但对改进和增强金刚石晶体性能的作用是显着的。研究结果表明，硼对金刚石的影响主要体现在以下几个方面：

      ①颜色：在显微镜下观察，由于硼的浓度不同，钻石呈无色、蓝色或黑色。蓝钻晶体在电子工业中用作半导体材料，其他颜色的晶体常用作磨料和工具材料。

      ②耐热性：含硼金刚石表面的初始氧化温度比普通金刚石高150℃~250℃。原因是当硼原子与金刚石表面的碳原子形成键时，形成硼碳结构，没有多余的价电子与氧原子等外来缺电子原子发生反应，金刚石处于稳定状态，提高了晶体的耐热性。但晶体中硼原子含量的变化会导致表面的初始氧化温度不同。

      ③冲击韧性：冲击韧性是检测金石质量等级的重要手段之一。黑硼刚玉刀具具有良好的冲击韧性，在切削共晶硅铝合金、粉末钛合金、玻璃钢等材料时，车刀很少断裂。

      ④ 耐磨性：含硼金刚石晶体具有良好的耐磨性和磨削能力，特别适用于磨削坚硬和坚韧的材料。它们可用作耐磨涂层、磨料、钻头、切削工具等。

      ⑤化学惰性：黑金刚石聚晶车刀可切削高硬度淬火钢。在切削过程中，与铁的粘连现象比普通金刚石刀具小，不粘在刀具上，不形成切削瘤，工件的加工质量显着提高。这是因为当普通金刚石表面的碳原子与铁族金属表面的缺电子原子靠近时，可以相互结合，产生粘附力；而含硼金刚石表面的硼原子没有多余的价电子和铁基团。金属表面对应的原子相互连接形成键，所以不会出现粘连现象，

      ⑥半导体性能：金刚石晶体掺杂硼、氮或磷后，可从绝缘体转变为半导体甚至导体。进入金刚石晶格后，具有三个价电子的硼原子将取代碳原子成为受体中心。在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。金刚石中硼的杂质能级位于价带顶以上0.37 eV，为浅受主杂质。随着硼含量的增加，金刚石的导电性增加。对掺硼金刚石薄膜的分析表明，掺硼浓度为10 20 cm -2的金刚石的空穴迁移率为1500cm² v -1 s -1和 10 -² Ωcm 在室温下的电阻率。

掺硼金刚石的制备与应用

       由于天然含硼钻石仅占天然钻石总量的1-2%，如何人工合成出高品质的含硼钻石是所有生产者和用户追求的目标。目前，大多数含硼金刚石单晶是在铰链式六面顶压机的超高温高压装置上，使用掺硼石墨或掺硼催化剂合成的。其中，硼掺杂催化剂的制备方法有粉末冶金法和催化剂片组织法。

由于含硼金刚石在耐热性、耐磨性、化学惰性、抗氧化性、抗压强度等方面均优于普通金刚石，因此近年来，随着现代工业的快速发展，含硼金刚石在各方面都得到了展示。具有巨大的应用前景，逐渐成为开发电子发射电极、光电探测器、场效应晶体管、真空隧道显微镜探头的理想材料。特别是其超导特性的发现，进一步扩大了含硼金刚石的用途。

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