金刚石作为一种应用十分广泛的极限功能性超硬材料,聚集如此多的优异性能例如耐强酸碱、抗辐射,以及它的最大的硬度和热导率等让人们目前为止还无法找到一种能代替的材料。其中Ⅱa型金刚石内部不含硼氮及其他金属等杂质,结晶度高,缺陷密度低等特性让其在基于金刚石的功率器件中表现出及其稳定的高性能。因此高纯Ⅱa型金刚石被认为是一种非常有潜力的无缺陷衬底。另外,高纯金刚石在量子领域、高精度传感器、高分辨率成像技术等尖端领域也具有重要应用,是目前金刚石大单晶研究领域的国际热点问题。而又由于金刚石的诸多性能的特殊性,让金刚石的寸尺成为金刚石能否产生实际应用的关键因素。当今,制备高纯金刚石大单晶的方法主要有化学气相沉积(CVD)法和高温高压(HPHT)法,但是两种高纯金刚石合成方法仍存在许多技术问题。例如,CVD金刚石大单晶中的应力和缺陷问题,高温高压金刚石大单晶中的金属杂质问题等。因此,针对HPHT法合成高纯金刚石晶体中存在金属杂质的问题,在合成“高纯”Ⅱa型金刚石晶体时,关键在于选择合适的触媒溶剂。我们知道,金属溶剂在金刚石晶体的合成过程中起着至关重要的作用,研究不同触媒体系中生长的金刚石能更好地理解金刚石的成核和生长机制,增大合成具有特定性能的晶体的可能性,因此对于金属溶剂的研究引起了人们极大的兴趣。经过大量的实验研究,科学家们发现金属触媒主要为过渡金属。除此之外,其他金属(Zn、Cu和Sb等)也分别作为触媒合成出了金刚石晶体,这些触媒溶剂在合成金刚石的过程中需要相当高的压力和温度(7.0-8.0 GPa,1600-2000℃),且晶体尺寸一般小于1.0mm,当延长合成时间后极易形成自发核,很难控制晶体的质量。并且在这些金属溶剂体系下合成出的金刚石都是含A心和C心的高氮型晶体,浓度一般在1000ppm以上,远高于Ni基、Fe基合金触媒生长的晶体。据文献报道,氮在熔融金属中的溶解度取决于金属原子的电子结构。铁、钴、镍的外层电子壳结构分别为3d~64s~2、3d~74s~2和3d~84s~2,元素周期表行元素中的原子数越小,d壳层的电子数目就越少,这意味着氮溶解的可能性越大,溶氮能力越强。因此,氮原子在铁基触媒中的溶解度比镍基触媒的大。这就是以铁基为催化剂,氮杂质很难进入金刚石的原因。又因为在过渡金属中,铁原子极难进入金刚石结构中,而镍极易进入金刚石内部,所以使用纯铁触媒能从根源上避免镍及其他金属杂质的进入。因此纯铁触媒在合成高纯金刚石大单晶方面有着无可比拟的优势。虽然,先前已有利用金属铁粉合成出工业级金刚石,但目前还未有纯铁触媒体系系合成宝石级金刚石的相关报道。因此,本文在纯铁触媒体系系中研究了宝石级金刚石的合成与特性,并成功合成出尺寸约3 mm的Ⅰb及Ⅱa型宝石级金刚石,并对晶体特性进行了详细研究。