CH582621A5

CH582621A5 -

Info

Publication number: CH582621A5
Application number: CH196472A
Authority: CH
Original assignee: I Fizicheskoi Khim Akademii Na
Priority date: 1972-02-03
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1976-12-15
Also published as: DE2205120A1; NL7201913A; FR2173719A1; FR2173719B1; GB1349832A; DE2205120B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zurn Wachsen von Diamanten auf einem in ein kohlenstoffhaltiges Gas untergebrachten Diamantimpfkristall.

Heute gibt es verschiedene Verfahren zum Wachsen des Diamanten auf seinen Impfkristallen im Bereich seiner Metastabilität. Bisher wurde jedoch die Kristallisation des Diamanten im Bereich seiner Metastabilität ohne gleichzeitige Ausscheidung der stabilen Phase. nämlich des Nichtdiamantkohlenstoffs, nicht verwirklicht.

Die oben erwähnten Verfahren beruhen auf einer Orientierungswirkung, welche die Diamantunterlage auf die ausscheidenden Kohlenstoffatome ausübt. Der Strom von Kob- lenstoffatomen, gerichtet zur Impfkristalloberfläche, kann z.B. durch thermische Zersetzung eines kohlenstoffhaltigen Gases erzeugt werden. Ist der partielle Druck des kohlenstoffhaltigen Gases p grösser als der Gleichgewichtsdruck dieses Gases Pe, der von der Temperatur und dem Gesamtdruck abhängt, so ist das System kohlenstoffhaltiges Gas Unterlage übersättigt. Die Übersättigungsgrösse lässt sich durch p
Pe Einheiten ausdrücken. Es ist offensichtlich, dass das System kohlenstoffhaltiges Gas-Unterlage bei
P P P - > 1 übersättigt, bei - = 1 gesättigt und bei - < 1 Pe Pe ungesättigt ist.

Unabhängig davon bezeichnet man die Grösse p
Pe als Übersättigungsgrad. Die Kohlenstoffatome können sich an der Unterlage abscheiden, wenn der partielle Druck den Gleichgewichtsdruck übersteigt.

Bekannt ist z.B. ein Verfahren zur Kristallisation des Diamanten an seinen Impfkristallen aus einem kohlenstoffhaltigen Gas, insbesondere aus Methan, bei einem unter Atmosphärendruck liegenden Druck und bei einer Temperatur von 900 bis 12000C (USA-Patentschriften Nummern 3 030 187 und 3 030 188). Nach dem genannten Verfahren erfolgt die Kohlenstoffausscheidung gemäss den nachfolgenden Reaktionen, vorausgesetzt. Methan dient als kohlenstoffhaltiges Gas:
CH4 > C Diamant) + 2H2;
CH4 o C (Nichtdiamantkohlenstoff) + 2H2.

Der Nachteil des erwähnten Verfahrens besteht darin, dass die Kohlenstoffausscheidung als Diamant von der Ausscheidung des Nichtdiamantkohlenstoffs begleitet wird, der unter den genannten Bedingungen eine stabile Form des Kohlenstoffs ist. Die Ausscheidungsgeschwindigkeit des Diamanten an der Diamantunterlage ist am Anfang des Wachsens höher als die von Nichtdiamantkohlenstoff. Nachdem jedoch überkritische Keime von Nichtdiamantkohlenstoff an der Oberfläche des Diamantimpfkristalls gebildet sind, verläuft die Kristallisation auf solchen Keimen nur in Form von stabiler Phase (Nichtdiamantkohlenstoff), wobei der mit Nichtdiamantkohlenstoff besetzte Oberflächenanteil um so grösser ist, je länger das Wachsen dauert.

Dadurch wird das Wachsen von Diamanten wesentlich verzögert und nach dem Ablauf einer bestimmten Zeitperiode (gewöhnlich einige Stunden) überhaupt abgestoppt, was notwendigerweise zur Folge hat, eine spezielle Reinigung der Diamantimpfkristalle von dem Nichtdiamantkohlenstoff periodisch durchzuführen.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Wachsen metastabiler Diamantkristalle zu entwickeln, welches das Wachsen von Diamanten ohne Ausscheidung des Nichtdiamantkohlenstoffs zu verwirklichen ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird beim erfindungsgemässen Verfahren dadurch gelöst, dass man im Gas-Diamant-System periodische Übersättigungsimpulse erzeugt, deren Dauer kleiner als die Bildungszeit für kritische Keime von Nichtdiamantkohlenstoff ist und dass die Impulspause so gewählt wird, dass die Keime von Nichtdiamantkohlenstoff aufgesaugt werden. Selbst wenn bei diesem Verfahren einzelne Keime des Nichtdiamantkohlenstoffs eine kritische Grösse erreichen, so werden sie in der Impulspause vielmehr auch aufgesaugt werden, weil die kritische Keimgrösse, wie aus der Keimbildungstheorie folgt, mit dem Ubersät- tigungsgrad umgekehrt proportional verläuft, und die kritischen Keime mit der Übersättigungsverminderung unterkritisch werden.

Es werden also die Bedingungen geschaffen, unter denen die Ausscheidung der stabilen Phase des Nichtdiamantkohlenstoffs verhindert wird. Die Wachstumsgeschwindigkeit des Diamanten auf der Diamantunterlage übersteigt gleichzeitig die von Nichtdiamantkohlenstoff, was das Wachsen der Diamantimpfkristalle in der Impulswirkzeit zur Folge hat. Der Diamant lässt sich entweder als Film oder als Faden wachsen.

Da man den Übersättigungsgrad p
P..

verändern kann, indem man entweder den Gesamtdruck im System oder die Konzentration des kohlenstoffhaltigen Gases oder die Temperatur verändert (was die Änderung des Gleichgewichtsdruckes p, hervorruft), so lässt sich die Impulsübersättigung mit Hilfe von Temperatur-, Druck- oder Konzentrationsimpulsen erzeugen. In allen Fällen muss gefördert werden, dass die Übersättigungsimpulsdauer kleiner als die Bildungszeit für kritische Keime des Nichtdiamantkohlenstoffs ist, während die Impulspause zum Aufsaugen der gebildeten Keime des Nichtdiamantkohlenstoffs ausreicht. Es wurde festgestellt: Liegt die Impulsdauer im Bereich von 1.10- bis 10 sek und beträgt die Impulspause mindestens 1.10-5 sek, so erfolgt keine Diamantgraphitierung bis zur Temperatur von 34000C, während die Graphitierungstemperatur für Diamanten 1600 bis 1700"C beträgt.

Das Wesen des Verfahrens besteht darin, dass der Diamantkristall in einen Quarzreaktor mit etwa 11 Fassungsvermögen untergebracht wird, der evakuiert und mit einem kohlenstoffhaltigen Gas, z. B. Methan, ausgefüllt wird.

Das Gas wird in üblicher Weise ins System unter einem Druck von 1 bis 200 mm Quecksilbersäule eingeleitet. Mit Hilfe eines biellipsoiden Reflexionssystems wird die Abbildung der Lichtbogenstrecke einer leistungsstarken Gasentladungsstrahlungsquelle auf dem Kristall scharf eingestellt. Die Temperaturimpulse werden mittels einer Drehscheibe mit Schlitzen erzeugt. Die Impulsdauer und die Impulspause kann man variieren, indem man die Drehgeschwindigkeit der Scheibe und die Grösse der Schlitze ver ändert. Die Impulsdauer beträgt gewöhnlich 1.10-3 bis 0,5 sek und die Impulspause 1.10-2 bis 1 sek. Die Impulspause kann auch bedeutend grösser gewählt werden, aber in diesem Fall wird die Wachstumsgeschwindigkeit herabgesetzt.

Wegen thermischer Trägheit des Diamantkristalls und der anliegenden Gasschicht kann sich die Oberflächentemperatur des Impfdiamanten momentan nicht verändern und hängt nicht nur von der Leistung der Strahlungsquelle, sondern auch von der Impulsdauer ab. Die Oberflächentemperatur des Impfkristalls während der Impulswirkzeit lag gewöhnlich zwischen 900 und 2700"C. Das Wachsen kann unbegrenzt lange ohne Ausscheidung des Nichtdiamantkohlenstoffs verlaufen, aber falls der Diamantfaden wächst, so wird der Vorgang auf die Zeitperiode beschränkt, in der der Faden die Grenze des Brennflecks der Einrichtung erreicht; wonach das Wachsen von Diamantfaden ab stoppt.

Nach dem beendeten Vorgang wird der Diamant mittels chemischer Waagen vom Paul Bunge-Typ mit einer Genauigkeit von t 2.;10-9 kg gewogen. Die aufgewachsenen Kristalle sind ebenso durchsichtig wie Ausgangskristalle des Diamanten. Durch deren Kochen in konzentrierter Chlorsäure (bei 203 C) wird keine Veränderung des Gewichts festgestellt, was davon zeugt, dass der Nichtdiamantkohlenstoff fehlt. Das Verfahren ermöglicht also, das Wachsen von Diamantkristallen ohne Ausscheidung von Nichtdiamantkohlenstoff durchzuführen.

Folgende Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung:
Beispiel I
Der Diamanteinkristall mit einem Ausgangsgewicht von 16, 309 mg wurde im Reaktor der obenbeschriebenen Einrichtung untergebracht. Nach dem Evakuieren wurde das System mit Methan gefüllt, bis der Druck von 5 mm Quecksilbersäule eingestellt wurde. Man erhitzte den Impfkristall während 4 Stunden mit Hilfe von periodischen Temperaturimpulsen, deren Dauer 1,3.1 0-2 sek und die Pause 0,5 sek betrug. Die höchste Temperatur der Kristalloberfläche in der Impulswirkzeit lag bei 1700"C. Nach dem beendeten Vorgang wurde der Probekörper gewogen, und die Gewichtszunahme betrug 0,008 mg. Nach dem Kochen in Chlorsäure blieb das Diamantgewicht ohne Veränderung, was davon zeugt, dass der Nichtdiamantkohienstoff fehlt.

Beispiel 2
Die Übersättigungsimpuise im Methan-Diamantimpf kristall- System wurden mit Hilfe von periodischen Temperaturimpulsen mit 0,25 sek langer Dauer erzeugt. Die höchste Temperatur in der Impulswirkzeit war 2700"C, die Impulspause lag bei 1 sek und der Methandruck im Reaktor bei 100 mm Quecksilbersäule. Während des dreistündigen Vorgangs ist eine 0,3 mm grosse Verwachsung von Diamantkristallen auf der Oberfläche des Ausgangseinkristalis festzustellen.

Beispiel 3
Als kohlenstoffhaltiges Gas wurde Oktan beim Druck von 2 mm Quecksilbersäule verwendet. Die höchste Oberflächentemperatur des Diamantimpfkristalls war 2000"C.

Die Impuls dauer betrug 0,05 sek und die Impulspause 0,1 sek. Die Gewichtszunahme von Diamantimpfkristall betrug nach dem vierstündigen Versuch 9.10-2 mg.

Beispiel 4
Der Diamantimpfeinkristall wurde in einem Reaktor unter Methandruck von 15 mm Quecksilbersäule untergebracht. Die Übersättigungsimpulse wurden mit Hille von periodischen Temperaturimpulsen mit 1,4.108 sek langer Dauer und einer Impulspause von 4.10-2 sek erzeugt. Die höchste Temperatur lag dabei bei 9000C. Es wurden viele 10 bis 20.106 m lange Diamantkristalle in diesem dreistündigen Versuch gewonnen.

Claims

PATENTANSPRUCH

Verfahren zum Wachsen von Diamanten auf einem in ein kohlenstoffhaltiges Gas untergebrachten Diamantimpfkristall, dadurch gekennzeichnet, dass man im Gas-Diamant System periodische Übersättigungsimpulse erzeugt, deren Dauer kleiner als die Bildungszeit für kritische Keime von Nichtdinmantkohlenstoff ist und dass die Impulspause so gewählt wird, dass die Keime von Nichtdiamantkohlenstoff aufgesaugt werden.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersättigungsimpulsdauer zwischen 1.10-6 und 10 sek gewählt wird, während die Impulspause mindestens 1.108 sek beträgt.

2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersättigungsimpulse im Gas-Diamant System mit Hilfe von periodischen Temperaturimpulsen erzeugt werden.

3. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächentemperatur des Diamant impfkristalls in der Übersättigungsimpulswirkzeit im Bereich von 800 bis 3500"C eingehalten wird.

4. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachsen von Diamantkristallen in Methan oder Oktan unter einem Druck der genannten Gase erfolgt, der kleiner als 200 mm Quecksilbersäule ist.

5. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersättigungsimpulse im Gas-Diamant System mit Hilfe von Temperaturimpulsen, deren Dauer zwischen 1.10-9 und 0,5 sek und die Pause zwischen 1.10-2 und 1 sek liegt, bei einer Oberflächentemperatur des Diamantkristalls von 900 bis 2700"C in der Impulswirkzeit er- zeugt werden.