金刚石是集多种优异性能于一体的多功能超硬材料。目前,我国是世界金刚石的主产国,但高端产品稀缺,其主要原因是我国对合成金刚石的触媒材料研究和开发力量薄弱。本工作在国内首次开展了在高于7.0 GPa的压力条件下对合成金刚石单晶用新型触媒材料研究,填补了我国在这一重要领域的空白。获得了以下创新性成果:1.确定了稳定的金刚石合成技术:首先,通过对传压与保温介质的进一步选择与优化,设计出了在高于7.0GPa,2000℃条件下合成金刚石单晶稳定的材料组装方式;其次,通过对合成工艺进一步改善,得到了适合高质量金刚石单晶合成的成熟工艺。2.考察了低熔点金属材料合成金刚石的触媒特性:通过在传统触媒体系中添加不同比例的低熔点金属,详细地考察了对合成金刚石的触媒特性的影响。我们发现通过适当比例低熔点金属的添加,金刚石的合成压力与温度条件均得到了明显的降低,金刚石的成核密度和生长速度也可以得到显著提高。3.考察了触媒材料中的微量杂质元素对合成金刚石的影响:我们在羰基铁粉触媒体系中成功地合成出了高氮含量金刚石单晶,最高氮含量可以达到1438 ppm,金刚石内部氮原子主要以A心与C心形式并存。在羰基镍粉触媒体系中利用膜生长法首次合成出了无色透明的IaB型金刚石晶体,这为揭示天然金刚石的成因提供一种新的可能性。4.合成出了多种“硼氮”共掺杂的金刚石单晶:目前对“硼碳氮”材料的研究吸引着人们的极大的兴趣,然而到目前为止仍未真正合成出值得信赖的立方相“硼碳氮”晶体。本文中,我们提出并成功合成出了多种优质“硼氮”共掺杂金刚石单晶,这为进一步寻找新型超硬-导电材料提供了新的思路。5.考察了高温高压下金刚石单晶的生长机制:本文中利用黑色含硼金刚石作为晶种生长黄色的金刚石,为研究金刚石的成核、生长等机理方面的物理问题提供了便利的观察条件。我们通过对金刚石晶体在成核后期的生长方式以及晶形形成过程的一系列研究,为金刚石合成的溶剂理论做了一些有益补充,这为建立新的金刚石合成理论提供了新的实验依据。