第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 人造金刚石单晶合成技术的发展 1
1.2.1 高温高压法 1
1.2.2 低压法 2
1.2.3 其他合成方法 2
1.3 高温高压触媒法金刚石单晶的合成 3
1.3.1 触媒法金刚石单晶合成机理的研究 3
1.3.2 金刚石单晶合成用触媒的研究 9
1.3.3 金刚石单晶合成工艺的研究 12
1.4 人造金刚石单晶金属包膜的研究 16
1.4.1 金属包膜的组成和形貌 17
1.4.2 金属包膜在金刚石单晶合成过程中的作用 18
1.5 余氏理论和程氏理论 19
1.5.1 余氏理论 19
1.5.2 程氏理论 21
1.5.3 余氏理论和程氏理论的关系 22
1.5.4 余氏理论和程氏理论在金刚石单晶合成机理研究中的应用 23
1.6 计算机模拟方法在物相结构研究中的应用 23
1.6.1 蒙特卡罗方法 24
1.6.2 经典分子动力学方法 24
1.6.3 第一性原理计算方法 25
1.7 高温高压金刚石单晶合成的热力学基础及研究概况 26
1.7.1 石墨-金刚石的P-T相图 26
1.7.2 金刚石结晶的“V”形区 27
1.7.3 石墨向金刚石转变的热力学动力 28
1.8 本书主要内容 30
第2章 实验方法及理论计算方法 32
2.1 高温高压触媒法金刚石单晶合成实验 32
2.1.1 原材料及触媒制备 32
2.1.2 高温高压合成实验 33
2.2 铁基金属包膜与合成后触媒的组织结构和成分分析 34
2.2.1 铁基金属包膜与合成后触媒的SEM分析 34
2.2.2 铁基金属包膜与合成后触媒的EPMA分析 34
2.2.3 铁基金属包膜与合成后触媒的XRD分析 34
2.2.4 铁基金属包膜与合成后触媒的TEM分析 34
2.2.5 铁基金属包膜的精细结构分析 35
2.3 金刚石单晶／铁基金属包膜界面的精细结构分析 36
2.3.1 铁基金属包膜界面的FESEM和EDS分析 36
2.3.2 铁基金属包膜界面及界面层的物相结构分析 36
2.3.3 铁基金属包膜界面的AFM分析 36
2.3.4 铁基金属包膜界面的XPS分析 37
2.3.5 铁基金属包膜界面及界面层的电子结构分析 37
2.4 第一性原理计算方法 38
2.4.1 密度泛函理论 39
2.4.2 平面波基组及赝势 41
2.4.3 VASP软件包 42
2.5 固体与分子经验电子理论的计算方法 44
2.5.1 键距差（BLD）方法 44
2.5.2 键距差分析的几个问题 46
2.5.3 固溶体计算的价电子结构模型 47
2.5.4 异相界面价电子结构的计算 48
2.6 热力学理论计算方法 50
2.7 本章小结 51
第3章 金属包膜与合成后触媒的成分和物相结构分布 52
3.1 引言 52
3.2 铁基金属包膜与合成后触媒的成分 53
3.2.1 铁基金属包膜的成分及其分布 53
3.2.2 合成后触媒的成分及其分布 56
3.3 铁基金属包膜与合成后触媒的组织形貌 58
3.3.1 使用铁基触媒合成的金刚石单晶 58
3.3.2 铁基金属包膜与合成后触媒的SEM形貌 59
3.3.3 铁基金属包膜与合成后触媒的SEM组织 62
3.4 铁基金属包膜与合成后触媒的相结构 63
3.4.1 铁基金属包膜与合成后触媒的XRD分析 63
3.4.2 铁基金属包膜分层的TEM分析 65
3.4.3 合成后触媒分层的TEM分析 68
3.5 铁基金属包膜的精细结构 69
3.5.1 铁基金属包膜的Raman谱分析 69
3.5.2 铁基金属包膜的Auger微分谱分析 72
3.5.3 铁基金属包膜的M？ssbauer谱分析 76
3.5.4 铁基金属包膜的HRTEM分析 81
3.6 镍基金属包膜与合成后触媒的成分和组织 83
3.6.1 镍基金属包膜与合成后触媒的成分分布 84
3.6.2 镍基金属包膜与合成后触媒的组织形貌 89
3.6.3 镍基金属包膜与合成后触媒的相结构 92
3.6.4 存在的问题 96
3.7 本章小结 97
第4章 金刚石单晶／铁基金属包膜界面的精细结构 99
4.1 引言 99
4.2 铁基金属包膜界面的FESEM观察及EDS分析 100
4.3 金刚石单晶／金属包膜界面及界面层物相结构表征 104
4.3.1 铁基金属包膜界面的XRD表征 104
4.3.2 铁基金属包膜界面及内层的FETEM表征 104
4.3.3 铁基金属包膜界面及内层的HRTEM表征 106
4.4 金刚石单晶／铁基金属包膜界面的AFM分析 108
4.4.1 金刚石单晶／铁基金属包膜界面的AFM形貌 108
4.4.2 铁基金属包膜界面形貌的形成原因初探 112
4.5 铁基金属包膜／金刚石界面的XPS分析 113
4.6 铁基金属包膜界面及界面层的电子结构表征 119
4.6.1 C原子的EELS分析 119
4.6.2 Fe原子的EELS分析 122
4.6.3 Ni原子的EELS分析 125
4.7 对金刚石生长机理的分析 128
4.8 本章小结 129
第5章 高温高压下相关物相的晶格常数 131
5.1 引言 131
5.2 高温高压下相关物相晶格常数的拟合法计算 131
5.2.1 温度对物相晶格常数的影响 131
5.2.2 压力对物相晶格常数的影响 132
5.2.3 温度和压力对物相晶格常数的综合影响 137
5.2.4 各相关物相在高温高压下的晶格常数 137
5.3 高温高压下相关物相晶格常数的第一性原理计算 146
5.3.1 计算方案 146
5.3.2 高温高压下石墨晶格常数的计算 147
5.3.3 高温高压下金刚石晶格常数的计算 153
5.3.4 金刚石合成温度压力下铁基金属触媒各物相晶格常数的计算 156
5.4 本章小结 159
第6章 高温高压下相关物相的价电子结构 160
6.1 引言 160
6.2 基于拟合法高温高压下相关物相的价电子结构计算 160
6.2.1 金刚石的价电子结构 160
6.2.2 金刚石主要晶面的价电子结构 162
6.2.3 六方石墨的价电子结构 163
6.2.4 六方石墨主要晶面的价电子结构 164
6.2.5 Fe3C的价电子结构 165
6.2.6 Fe3C主要晶面的价电子结构 168
6.2.7 γ-（Fe，Ni）的价电子结构 174
6.2.8 γ-（Fe，Ni）主要晶面的价电子结构 176
6.3 基于第一性原理高温高压下相关物相的价电子结构计算 176
6.3.1 金刚石的价电子结构 176
6.3.2 金刚石主要晶面的价电子结构 177
6.3.3 六方石墨的价电子结构 178
6.3.4 六方石墨主要晶面的价电子结构 179
6.3.5 Fe3C的价电子结构 180
6.3.6 Fe3C主要晶面的价电子结构 182
6.3.7 γ-（Fe，Ni）的价电子结构 187
6.3.8 γ-（Fe，Ni）主要晶面的价电子结构 187
6.4 本章小结 188
第7章 高温高压下金刚石单晶的相变机理分析 189
7.1 引言 189
7.2 基于拟合法高温高压下石墨向金刚石单晶直接转变的价电子理论分析 189
7.2.1 石墨／金刚石单晶主要晶面间的相对电子密度差 189
7.2.2 Fe3C／金刚石单晶主要晶面间的相对电子密度差 190
7.2.3 γ-（Fe，Ni）／Fe3C主要晶面间的相对电子密度差 191
7.3 基于第一性原理高温高压下石墨向金刚石单晶直接转变的价电子理论分析 192
7.3.1 石墨／金刚石单晶主要晶面间的相对电子密度差 192
7.3.2 Fe3C／金刚石单晶主要晶面间的相对电子密度差 194
7.3.3 γ-（Fe，Ni）/Fe3C主要晶面间的相对电子密度差 195
7.4 铁基金属包膜各物相在高温高压下的作用 196
7.4.1 C原子在金属包膜熔体内的扩散 196
7.4.2 高温高压下铁基金属包膜各物相的作用 198
7.5 高温高压下铁基触媒组织的初步控制 203
7.5.1 触媒设计 203
7.5.2 触媒组织与金刚石质量的相关性 204
7.6 本章小结 205
第8章 高温高压下金刚石单晶的相变热力学 207
8.1 引言 207
8.2 高温高压下Gibbs自由能变化的关系式 207
8.3 Gibbs自由能变化关系式中热力学参数的获得 208
8.4 石墨向金刚石转变的热力学分析 213
8.5 Fe3C向金刚石转变的热力学分析 215
8.6 Ni3C向金刚石转变的热力学分析 217
8.7 热力学计算结果分析 219
8.8 本章小结 221
参考文献 222
附录 原子状态杂化表 237