三硫化二硼的应用、三硫化二硼掺杂金刚石及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及金刚石掺杂技术领域，尤其是涉及一种三硫化二硼的应用、三硫化二硼掺杂金刚石及其制备方法和应用。

背景技术

金刚石是集多种优异性能于一体的极限性功能材料，在如极端光学、量子通讯、人工智能、高功率激光武器与芯片的散热材料、超高压金刚石对顶压砧(DAC)、化学气相沉积(CVD)大单晶生长的衬底、航空航天、拉曼激光器、生物医疗以及超精细加工等诸多领域均具有重要用途。

与Si、GaAs、SiC、GaN、InSb以及InN等传统半导体材料相比，金刚石具有宽禁带(5.45eV)、高击穿电压(3.5×10

通常情况下，金刚石为绝缘体。然而，当金刚石中引入硼(B)元素之后，B原子存在金刚石之中并成为受主原子，产生浅能级，使金刚石由绝缘体变为p型半导体。当合成腔体中B添加量较少时，金刚石晶格B浓度较低，造成其电导率较低，制约了在半导体领域的应用；当金刚石实施重浓度B掺杂时，尽管其电输运特性会得以显著提升，但是其机械和光学功能特性会遭到严重破坏。类似地，使用高能硼粒子对所制备的金刚石进行粒子注入时，金刚石表面结构会遭到破坏，造成形成sp

理论研究表明：协同掺杂可以对金刚石能带进行调制，进而解决金刚石等宽带隙半导体的制备问题。现有技术中通过硼氢协同掺杂能够获得透光性较好的金刚石，且电阻率比硼单一掺杂的电阻率下降了近100倍，但是其电阻率仍较高(7.50×10

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种三硫化二硼的应用，能够显著降低金刚石的电阻率，同时还能够使金刚石保持较佳的透光性。

本发明的目的之二在于提供一种三硫化二硼掺杂金刚石的制备方法，工艺简单、易操作，成功率高，适合工厂化生产。

本发明的目的之三在于提供一种三硫化二硼掺杂金刚石，能够兼顾较高电导率和较佳透光性。

本发明的目的之四在于提供一种三硫化二硼掺杂金刚石的应用，能够取得突出的应用效果。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，三硫化二硼在降低金刚石电阻率中的应用。

进一步的，所述三硫化二硼通过掺杂到金刚石中而降低金刚石电阻率。

进一步的，所述三硫化二硼在金刚石中掺杂的质量百分比为0.02-0.03％。

第二方面，一种三硫化二硼掺杂金刚石的制备方法，包括以下步骤：

采用温度梯度法，三硫化二硼通过FeNiCo-C合成体系掺杂到金刚石中，得到三硫化二硼掺杂金刚石。

进一步的，所述制备方法的压力条件为6-6.5GPa。

进一步的，所述制备方法的温度条件为1300-1340℃。

第三方面，一种由上述任一项所述的制备方法制备得到的三硫化二硼掺杂金刚石。

进一步的，所述三硫化二硼掺杂金刚石的电阻率为88.1-0.284Ω·cm。

进一步的，所述三硫化二硼掺杂金刚石的透光性为80-90％。

第四方面，一种上述任一项所述的三硫化二硼掺杂金刚石在半导体材料中的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的三硫化二硼的应用，能够显著降低金刚石的电阻率，同时还能够使金刚石保持较佳的透光性，解决了现有技术中难以使金刚石同时兼顾较高电导率和较佳透光性的技术问题。

本发明提供的三硫化二硼掺杂金刚石的制备方法，在几乎不影响金刚石透光性的基础上显著提高了其电导率，不仅工艺简单、易操作，而且成功率高，适合工厂化生产。

本发明提供的三硫化二硼掺杂金刚石，兼顾较高电导率和较佳透光性。

本发明提供的三硫化二硼掺杂金刚石的应用，可取得突出的应用效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明试验例得到的三硫化二硼掺杂金刚石的光学照片。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

通常合成的金刚石为绝缘体，现有技术通过在金刚石合成过程中添加硼，金刚石能够由绝缘体变为p型半导体。然而，若硼添加较少，则会导致产品电导率不高；若硼添加过量，虽然提高了电导率，但是会导致产品的透光性变差。此外，现有技术中硼粒子注入会造成金刚石表面的损伤，使sp

根据本发明的第一个方面，提供了一种三硫化二硼在降低金刚石电阻率中的应用。

本发明提供的三硫化二硼的应用，作为提升金刚石电导率的添加剂，能够显著降低金刚石的电阻率，同时还能够使金刚石保持较佳的透光性，解决了现有技术中难以使金刚石同时兼顾较高电导率和较佳透光性的技术问题。

在一种优选的实施方式中，三硫化二硼通过掺杂到金刚石中而降低金刚石电阻率。

在本发明中，使用三硫化二硼(B

在一种优选的实施方式中，三硫化二硼在金刚石中掺杂的质量百分比可以为0.02-0.03％，适宜的掺杂量更有利于在不影响金刚石透光性的基础上显著提高其电导率；若三硫化二硼的掺杂量过低，则会造成电阻率较高；若三硫化二硼的掺杂量过高，则会降低其透光性。

根据本发明的第二个方面，提供了一种三硫化二硼掺杂金刚石的制备方法，包括以下步骤：

采用温度梯度法，三硫化二硼通过FeNiCo-C合成体系掺杂到金刚石中，得到三硫化二硼掺杂金刚石。

本发明提供的三硫化二硼掺杂金刚石的制备方法，在几乎不影响金刚石透光性的基础上显著提高了其电导率，不仅工艺简单、易操作，而且成功率高，适合工厂化生产。

在一种优选的实施方式中，本发明制备方法的压力条件可以为6-6.5Gpa，其典型但非限制性的压力条件例如为6Gpa、6.1Gpa、6.2Gpa、6.3Gpa、6.4Gpa、6.5Gpa，更有利于进一步提高三硫化二硼掺杂金刚石的合成效果。

在一种优选的实施方式中，本发明制备方法的温度条件可以为1300-1340℃，其典型但非限制性的温度条件例如为1300℃、1310℃、1320℃、1330℃、1340℃，更有利于进一步提高三硫化二硼掺杂金刚石的合成效果。

一种三硫化二硼掺杂金刚石的典型的制备方法，包括以下步骤：

采用温度梯度法，在压力6-6.5GPa、温度1300-1340℃的极端物理条件下，在FeNiCo-C合成体系中使用三硫化二硼(B

合成原理：高温高压条件下，位于高温端的高纯石墨碳源逐渐溶渗到处于熔融状态的金属触媒合金FeNiCo中，所溶解的碳素在温度梯度的驱使下被输运到晶种表面，并在晶种表面上析出，实现金刚石的同质外延生长；随着金刚石晶体的不断生长，所制备的金刚石晶体便驻留在触媒中，其中，三硫化二硼粉体被放置在触媒中。

本发明提供的制备方法，以三硫化二硼作为合成金刚石的添加剂而掺杂到金刚石中，在几乎不影响金刚石透光性的基础上显著提高了其电导率，同时工艺简单、易操作，成功率高，适合工厂化生产。

根据本发明的第三个方面，提供了一种由上述任一项所述的制备方法制备得到的三硫化二硼掺杂金刚石。

本发明提供的三硫化二硼掺杂金刚石，兼顾较高电导率和较佳透光性。

在一种优选的实施方式中，三硫化二硼掺杂金刚石的电阻率可以为88.1-0.284Ω·cm；三硫化二硼掺杂金刚石的透光性可以为80-90％。可见，本发明提供的三硫化二硼掺杂金刚石兼顾了较高电导率和较佳透光性，优于现有技术中的掺杂金刚石。

根据本发明的第四个方面，提供了一种上述任一项所述的三硫化二硼掺杂金刚石在半导体材料中的应用。

本发明提供的三硫化二硼掺杂金刚石的应用，可取得突出的应用效果。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。

实施例1

一种三硫化二硼掺杂金刚石的制备方法，包括以下步骤：

采用温度梯度法，在压力6.5GPa、温度1310℃的极端物理条件下，在FeNiCo-C合成体系中使用三硫化二硼(B

合成原理：高温高压条件下，位于高温端的高纯石墨碳源逐渐溶渗到处于熔融状态的金属触媒合金FeNiCo中，所溶解的碳素在温度梯度的驱使下被输运到晶种表面，并在晶种表面上析出，实现金刚石的同质外延生长；随着金刚石晶体的不断生长，所制备的金刚石晶体便驻留在触媒中，其中，三硫化二硼粉体被放置在触媒中。

实施例2

本实施例提供一种三硫化二硼掺杂金刚石，本实施例合成体系中添加15mg B

实施例3

本实施例提供一种三硫化二硼掺杂金刚石，本实施例合成体系中添加30mg B

对比例1

本对比例提供一种由硼单质和硫单质协同掺杂得到的p型金刚石，其电阻率为8.51Ω·cm，但是该金刚石几乎不透光。

试验例

实施例1-3制备的三硫化二硼掺杂金刚石的光学照片见图1，其中，(a)为掺杂10mgB

通过霍尔效应测试对实施例1-3制备的三硫化二硼掺杂金刚石进行电学性质测试，测试结果如表1所示，可以发现，随着三硫化二硼掺杂量增高，所合成的金刚石的电阻率显著下降，最低可降至0.284Ω·cm。

表1

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。