專利名稱：用于合成含硼金剛石單晶的鐵－鎳－硼－碳系催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，特別是用于合成高品質(zhì)半導(dǎo)體含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑及其制備方法。
(二)技術(shù)背景含硼金剛石屬于IIb型金剛石，具有良好的導(dǎo)熱性、高溫抗氧化性和優(yōu)異的P型半導(dǎo)體性能，可用于制作在高溫、高壓、惡劣腐蝕、超大功率和強(qiáng)磁場等工作的半導(dǎo)體器件，如半導(dǎo)體二極管、三極管等等。國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多工作，如俄羅斯科學(xué)院礦物與石油地質(zhì)研究所Yu.V.Pleskov，等人在RussianJournal of Electrochemistry，2002，38，(6)，620-625，刊物上發(fā)表論文報(bào)道，采用鎳基合金作催化劑，在高溫高壓下合成出含硼金剛石，可用作半導(dǎo)體電極材料；中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研制出一種電子探針新的碳標(biāo)樣一人造含硼金剛石，該項(xiàng)研究以光譜純石墨為原料，以摻入微量硼的鎳基合金為催化劑，在高溫高壓下生長出一種具有較強(qiáng)熒光的P型半導(dǎo)體金剛石；但是，俄羅斯科學(xué)院礦物與石油地質(zhì)研究所Yu.V.Pleskov，等人和中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的工作均采用鎳基催化劑，因此存在原材料成本高、制造工藝復(fù)雜、金剛石的雜質(zhì)含量較高等缺點(diǎn)。中國專利ZL 00110864.6發(fā)明的“鐵基合金催化劑及其制備方法”，是Fe-Ni-C系金剛石催化劑，可以在高溫高壓條件下合成高品位金剛石單晶，但不能合成出高品質(zhì)半導(dǎo)體含硼金剛石單晶。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服鎳基催化劑的技術(shù)不足，提供一種原材料來源廣、工藝簡單、成品率高、材料與制造成本低廉；合成的含硼金剛石單晶品質(zhì)高、顆粒大、呈黑色或藍(lán)色，具有良好的導(dǎo)熱性、高溫抗氧化性和優(yōu)異的P型半導(dǎo)體性能。
本發(fā)明是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的用于合成高品質(zhì)半導(dǎo)體含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑，含有鐵、鎳、石墨、錳、銅，其特征是它還包括高硼硼鐵合金或碳化硼，各組分的重量百分比為鐵60～80％；鎳15～28％；石墨3～8％；錳0.5～1.0％；銅0.5～1.0％；高硼硼鐵合金或碳化硼1～2％。上述組分中鐵、鎳、錳是常用的金剛石催化劑金屬；石墨是為了促進(jìn)金剛石形核；銅是為了改善金剛石合成工藝；高硼硼鐵合金或碳化硼是供硼劑。
用于合成高品質(zhì)半導(dǎo)體含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑的制備方法，包括以下工藝步驟(1)把鐵粉、鎳粉、石墨粉、錳粉、銅粉和高硼硼鐵合金粉(或碳化硼粉)球磨到150～250目的粒度，烘干去潮氣；(2)用氫氣保護(hù)在400℃還原處理6小時(shí)；(3)按成分配比將粉料混合均勻；(4)將混合粉料軋制成0.1～0.5mm厚的薄帶；(5)把粉末軋制的薄帶在燒結(jié)爐中通入保護(hù)氣氛加熱，進(jìn)行700～1000℃的低溫?zé)Y(jié)，保溫時(shí)間不少于4小時(shí)；
(6)將燒結(jié)薄帶再進(jìn)行精軋、沖片、整形；(7)清理片狀催化劑的表面，除去污染物和氧化膜；(8)真空包裝。
上述的制備方法中，在燒結(jié)爐中通入保護(hù)氣氛可以采用氫氣、氮?dú)饣驓鍤狻?br> 本發(fā)明與常規(guī)使用的鎳基催化劑相比，原材料和制造成本大幅度下降，合成的含硼金剛石品質(zhì)高、粒度大，具有良好的導(dǎo)熱性、高溫抗氧化性和優(yōu)異的P型半導(dǎo)體性能，易于形成規(guī)?；a(chǎn)。
具體實(shí)施方式
下面給出一個(gè)本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
采用如下配方配制鐵-鎳-硼-碳系催化劑鐵粉75w.t.％；鎳粉19w.t.％；石墨粉3w.t.％；高硼硼鐵合金粉或碳化硼粉2w.t.％；錳粉0.5w.t.％；銅粉0.5w.t.％。
將上述粉料球磨到150～250目的粒度，烘干去潮氣；用氫氣保護(hù)在400℃還原處理6小時(shí)；稱量配比混合均勻；將混合粉料軋制成0.3mm厚的薄帶；在燒結(jié)爐中通入氫氣作保護(hù)氣氛加熱，進(jìn)行850℃的低溫?zé)Y(jié)，保溫時(shí)間5小時(shí)；將燒結(jié)薄帶再進(jìn)行精軋、沖片、整形，制成Φ25×0.3mm的圓片；最后清理表面，真空包裝，備用。
在六面頂壓機(jī)上，按高溫高壓法和常規(guī)工藝規(guī)范操作，用制成的Φ25×0.3mm的圓片狀Fe-Ni-B-C系催化劑可合成含硼金剛石單晶。金剛石單晶顆粒尺寸≥0.5mm，呈黑色或藍(lán)色，透明度高，測量的電阻值為1000000±100000歐姆，電阻-溫度系數(shù)為負(fù)值，屬于P型半導(dǎo)體材料。
權(quán)利要求
1.用于合成含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑，組分中含有鐵、鎳、石墨、錳、銅，其特征是催化劑中含有高硼硼鐵合金或碳化硼，各組分的重量百分比為鐵60～80％；鎳15～28％；石墨3～8％；錳0.5～1.0％；銅0.5～1.0％；高硼硼鐵合金或碳化硼1～2％。
2.用于合成含硼金剛石單晶的鐵-鎳-硼-碳系催化劑的制備方法，其特征是該制備方法包括以下工藝步驟(1)把鐵粉、鎳粉、石墨粉、錳粉、銅粉和高硼硼鐵合金粉或碳化硼粉球磨到150～250目的粒度，烘干去潮氣；(2)用氫氣保護(hù)經(jīng)400℃還原處理6小時(shí)；(3)按成分配比將粉料混合均勻；(4)將混合粉料軋制成0.1～0.5mm厚的薄帶；(5)把粉末軋制的薄帶在燒結(jié)爐中通入保護(hù)氣氛加熱，進(jìn)行700～1000℃的低溫?zé)Y(jié)，保溫時(shí)間不少于4小時(shí)；(6)將燒結(jié)薄帶再進(jìn)行精軋、沖片、整形；(7)清理片狀催化劑的表面，除去污染物和氧化膜；(8)真空包裝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于合成高品質(zhì)半導(dǎo)體含硼金剛石單晶的鐵－鎳－硼－碳系催化劑。該催化劑包括鐵、鎳、石墨、錳、銅及高硼硼鐵合金或碳化硼；該催化劑的制備方法是將催化劑的各組分制成粉末，粒度為150～250目；按成分配比將粉料混合均勻；軋制成薄帶；在燒結(jié)爐中進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，再經(jīng)過精軋、沖片、整形、清理，制成片狀催化劑。本發(fā)明的催化劑制備方法簡單易行，成品率高，工藝成本低；合成的含硼金剛石單晶的晶型好、強(qiáng)度高、粒度大、呈黑色或藍(lán)色，金剛石單晶電阻值為10000～10000000歐姆，具有負(fù)的電阻－溫度系數(shù)，為P型半導(dǎo)體材料。
文檔編號B01J27/20GK1692983SQ20051004257
公開日2005年11月9日 申請日期2005年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月21日
發(fā)明者李木森, 公志光, 徐培良, 尹龍衛(wèi), 宮建紅, 邢子水, 劉憲剛 申請人:山東大學(xué), 山東超硬材料工程技術(shù)研究中心