CN101072630B - 改善金刚石晶体的晶体完整性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了通过在高温和高压下加热人造金刚石晶体改善IIa金刚石晶体完整性的方法。本发明进一步涉及具有低氮浓度和低扩展缺陷密度的人造金刚石材料。

Description

改善金刚石晶体的晶体完整性的方法
序言
本发明涉及生产具有改善的晶体完整性的含有低浓度氮的金刚石的方法。
发明背景
通过不同方法合成金刚石广为人知且沿用已久。这样的一个实例是在高压和高温(HPHT)下合成金刚石。主要使用两种方法并且都是由溶液起始。一种方法为温度梯度法，另一方法为同素异形转变法。在温度梯度法中，晶体生长的驱动力为源材料溶解度差异导致的过饱和，并且由于两者之间温差的结果生长晶体。存在于较高温度区域内的碳经由分隔源材料和籽晶的溶剂/催化剂材料迁移到位于较低温度区域内的籽晶中。这种温度梯度法一般地公开在US4,034,066中。
几乎所有从溶液中合成的金刚石中都含有氮并且为Ib型金刚石。
当生长IIa型金刚石(其具有通常低于5ppm(以质量计，百万分之一)的含氮量)时，需要从起始材料中除去氮。这通常使用氮吸气剂进行。将氮吸气剂或试剂加入到溶剂/催化剂中，其通常为过渡金属钴、铁和镍的熔融合金。这些试剂具有以熔质或沉淀氮化物或碳氮化物的形式优先螯合金属熔融物中的氮的作用。这些试剂通常为如钛、锆和铝的元素。
退火为材料科学领域改善晶畴尺寸和晶畴完整性的方法且广为人知。通常使用高温而没有增加压力。例如，US5,908,503公开了使用高温炉，通常使用1100-1600℃的温度和低压力，使用非氧化气氛以改善金刚石的完整性。非氧化气氛为处理期间防止金刚石结晶氧化和损失的必要条件。由于在将温度和压力降低至正常温度和压力水平期间在金刚石晶体中引入缺陷，US 5,908,505方法使用低压力并且其发明人主动阻止了在退火过程中使用高压。
金刚石中扩展晶格缺陷的退火需要碳原子扩散。金刚石晶格为非常紧密结合的晶格并且除非在特定条件下都限制了扩散。升高的温度增加了扩散，然而升高压力通常减小扩散。在Ib型金刚石中，显著浓度氮的存在明显增加了扩散。虽然某些现有技术(V.D.Antsygin′sarticle in Optoelectronics Instrumentation and DataProcesssing(1998)No.1 p9)已经表明在2100℃退火时在BARS人造Ib型金刚石中改善了晶体完整性，Ib和IIa型金刚石中的扩展缺陷和退火机制相同不同，并且现有技术教导了非常难于在含有低浓度氮的金刚石中消除结构缺陷。
仍然需要具有低扩展缺陷密度(晶体完整性)和低且受控杂质水平特别是低氮含量(例如IIa型金刚石中发现的浓度)的金刚石材料。另外需要制备这种金刚石，其中晶体完整性涉及最小化扩展缺陷如位错和堆垛层错的浓度。
发明概述
本发明涉及含有低浓度氮和低扩展缺陷密度的单晶金刚石。
首先，本发明涉及人造HPHT金刚石材料，所述金刚石材料的氮浓度小于百万分之(ppm)5，优选＜2ppm，更优选＜0.5ppm，最优选＜0.05ppm，并且在大于0.014cm2，优选0.1cm2，更优选0.25cm2，更优选0.5cm2，更优选1.0cm2，最优选2.0cm2的面积上由X-射线形貌术表征的扩展缺陷密度低于400/cm2，优选低于300/cm2，更优选低于200/cm2，最优选低于100/cm2。
本发明涉及改善含低浓度氮的金刚石的晶体完整性的方法。本发明方法特别包括在高温和高压，通常在2100-2500℃的温度和6-8GPa的压力下热处理人造金刚石的步骤。
温度优选大于2150℃，更优选大于2175℃，更优选大于2200℃，最优选大于2225℃。
压力优选大于6GPa，更优选大于6.5GPa，更优选大于7.0GPa，更优选大于7.2GPa，最优选大于7.4GPa。
压力优选小于8GPa，更优选小于7.9GPa，更优选小于7.8GPa，更优选小于7.7GPa，最优选小于7.6GPa。
热处理步骤通常在约2200-2250℃的温度和约7.5GPa的压力进行。
在本发明一个优选实施方案中，IIa型金刚石通过温度梯度法在籽晶上生长。生产具有低氮浓度的人造金刚石的温度梯度法包括：提供通过溶剂/催化剂与籽晶隔开的碳源反应物质，并使隔膜的内容物达到金刚石稳定范围的高温条件，以便在碳源和籽晶之间建立温度梯度，籽晶位于温度梯度的低端。使用氮吸气剂以降低人造金刚石中的氮含量。
在本发明一个优选形式中，处理碳源和溶剂/催化剂以尽可能降低氮含量并优选低于1ppm。
碳源可为现有技术中已知的任何碳源，包括金刚石，其可为CVD(化学气相沉积)或HPHT金刚石，或天然金刚石，然而通常为石墨。
溶剂/催化剂可为现有技术中已知的任何溶剂/催化剂，然而优选钴、镍或铁，或两种或多种这些金属的组合，或含有一种或多种这些金属的合金。
本发明另一方面提供了生长金刚石晶体的方法，所述方法包括以下步骤：
·选择具有所需取向的主面并且相对于标准具有所需完整性的籽晶，所述标准可包括种类、形状、大小、形态、由双折射推导出的应力和可以由X-射线形貌术确定的扩展缺陷浓度，
·将籽晶装载，主面基本上平行于适当载体的表面而取向，由此使得主面基本上与碳培养基物质(nutrient species)最大通量的方向垂直，并且将会产生优选的生长扇区，优选中心生长扇区，
·在HPHT环境下进行足够的时间的生长以保证生长合适大小和高度的晶体，
·回收晶体，
·使用X-射线或其它合适的技术确定最高结晶质量的位置，
·任选地在高压条件下在高温下对该晶体进行退火，
·选择与籽晶足够远的平板，使得它含有最高结晶质量(通过X-射线或其它技术确定)的区域。平板的平面通常将与籽晶的主面平行并且含有源于原始籽晶优选面的中心生长扇区，该平板包括相应于平板与优选的生长扇区相交的区域的高完整性区域，和
·使用例如机械或激光锯割的技术除去所述选择的平板，并使用例如研磨或抛光(scaif polishing)的技术制备表面，
·通过在高压下高温退火在该平板上进一步扩大和改善高完整性金刚石的区域，和
·任选通过重复一个或几个上述步骤以进一步改善高完整性区域的结晶质量。
选择的生长扇区为立方(001)生长扇区或八面体(111)生长扇区。
优选的载体为陶瓷载体(或籽晶垫)。
在本发明一个优选实施方案中，IIa型金刚石通过温度梯度法在籽晶上生长。
在一个优选实施方案中，籽晶优选具有接近良好抛光(低粗糙度)平面的主面和接近于真实晶面{001}的方向。存在两种实现方式并且将二者全部提出。首先晶体可从高完整性的更大结晶锯开，并且其应当从这籽晶体的单一生长扇区锯开。这已经例如在Sumiya等人的US5,908,503中说明。然后这可被认为是具有立方形态的单一扇区籽晶(全部面{100})。在实践中籽晶必须被锯开并且主面必须被抛光。这不可避免地导致取向错误和对籽晶的下层损伤，结果导致随后的HPHT生长过程不太有效。这些困难可导致在优质晶体生长开始之前籽晶必须首先部分溶解在溶剂/催化剂中的困难(如Satoh和Tsuji在US4,836,881中所述)。这种处理的籽晶的类型还可得自合适高完整性的单晶CVD金刚石材料，这可通过例如X-射线形貌术的方法测定。
其次并可选择的是，籽晶可为小尺寸例如0.5纳米的选定HPHT晶体，其已经生长以实现一种或多种良好完整性的主生长面的存在。同样，在大金刚石晶体(1克拉或更大)生长期间，位错非常大地束缚了方向{110}并且堆垛层错位于平面{111}内，我们发现在较小晶体从显微可见的籽晶生长期间，这些晶体中的位错非常大地存在于八幅(这表示{111}平面的交叉)中，并且在(001)扇区存在较少的位错。交叉极化光观察到的较高应变指示<110>方向，其没有与选定具有更高完整性的立方面交叉。同样，可通过检查和使用极化光学显微术选择更高完整性的八面体面。
籽晶可被处理或如生长状态，材料可为合成Ib或IIa型(HPHT或CVD)或天然来源，优选具有低应力并且具有较低或没有外部缺陷的籽晶。这些标准可通过仔细选择来加以符合，例如通过使用交叉极化光学显微术或类似工艺(Metripol)评价籽晶应力，或者通过使用例如抛光、等离子体处理、活性离子蚀刻(RIE)或粒子束加工进行。优选的方法是利用选择方法以选择接近理想的晶体。根据在用于研磨应用的结晶金刚石生产中产生的大体积晶体，在材料加工期间部分进行选择的方法。选择基于以下步骤：
(1)形状分选以拒绝较差和裂缝的晶体
(2)磁力分选以拒绝含有金属包藏物的晶体
(3)筛选以保证通常500-550微米的窄粒度范围
(4)使用极化光学显微术视觉分选以拒绝较差表面
(5)选择合适的主(001)表面。
由此选择的籽晶可使用净化工艺例如使用热氧化酸混合物进一步加工。
退火可在稳定压力下和高达2500℃的温度下进行。
对籽晶的上述要求可导致在20000晶体中至少选择1个。
光学应用激励
由于其独特需要，大量光学器件需要使用这些材料。其实例包括激光窗，其中高强度光束需要无干扰的通过窗口，其需要某种形式的隔离，以及其它器件，例如光反射器、衍射光栅和校准器。
根据具体应用，在选择和制备指定材料中起作用的主要性能包括低和均匀双折射、均匀和高折射率、低感生双折射或与应变有关的折射率变化、低和均匀光学吸收、低和均匀光分散、高光学(激光)损坏阙值、高热导率(光学元件内的最小温度变化)、加工以显示高表面抛光和高平行、平坦的能力、机械强度、抗磨性、化学惰性以及物质参数再现性，以得到应用中的可靠性。
根据实施例，双折射性质为材料光学各向同性的量度。金刚石为立方材料并且其定义表示理想金刚石为光学各向同性的(即没有显示双折射)。然而在实践中，各向同性通过向晶格中引入缺陷而被打乱。如果应变均匀则材料保持光学均匀。这种均匀应变可能与点缺陷的均匀密度有关，例如其可能通过含氮或硼的金刚石引入，其中存在氮和/或硼缺陷并且均匀分布在金刚石内。然而在实践中例如堆垛层错和位错的缺陷通常引起不均匀的应变。根据本发明制备的材料最小化这些缺陷，由此在应用中得到改善的性能。
其它实例应用
显然，本发明这些材料在其它应用中具有许多优点。例如，在材料和应力不均匀的机械磨损应用中可导致降低的寿命。
作为用于SC CVD金刚石生长的基质材料的用途。
本发明的高晶体完整性的合成金刚石材料对于装饰应用如珠宝也是有价值的。
其它应用包括监控同步辐射中的窗口和/或检测材料。同步辐射X-射线源最重要的趋势为高亮度，即较小光源的较高速光子流，较小的立体角和较短脉冲，产生非常高的功率密度，在光学元件中每平方毫米约几百瓦。这些元件通常为窗口、偏振镜、滤光器和单色仪，其中最可能受到大功率密度影响的元件为第一单色仪晶体(通常在双晶装备中；通常使用液氮冷却)和光源和单色仪之间的窗口，其首先被X-射线束击中。当使用当前优选的材料硅(其通常可以生长到非常高的晶体完整性)时，有可能构造与X-射线束保持横向一致的光学元件，这对于如holotomography、X-射线光子相关光谱或相干衍射图像的相位敏感成像试验非常重要。如果可以改善晶体完整性(本体和表面)，由于其热性质和抗破坏性金刚石将成为优选的材料[G.Grubel，D.Abernathy，G.Vignaud，M.Sanchez del Rio and A.K.Freund，″Adiamond double-crystal transmission monochromator″，Rev.Sci.Instrum.67(9)1996，1-4]。
优选实施方案的详细说明
本发明的关键在于改善合成金刚石的晶体完整性，更特别是使用温度梯度法通过HPHT合成法制备的低氮浓度合成金刚石。这种人造金刚石晶格完整性的改善可通过例如X-射线形貌术、X-射线摇摆曲线宽度测定、或位错密度和其它缺陷的直接测量的方法而测定，所述其它缺陷产生图像例如白光X-射线形貌图中的特征。这些位错密度通常以图像区域中每平方厘米的位错单位表示。本发明的改善将从100000位错/平方厘米降低到100位错/平方厘米。使用摇摆曲线宽度方法，改善通常表示为7弧秒(其中秒为分的1/60，并且分为角度的1/60)的半宽度到金刚石的理论极限值，该理论极限值为1弧秒。
如前所述，当对金刚石进行退火时某些现有技术主动远离使用高压。然而金刚石在小于5GPa的压力时为亚稳相(稳定压力本身取决于例如Berman和Simon标准热力学分析中所示的温度)，但是对于1300℃的退火温度，需要5GPa的压力。通过使用上述最小稳定压力以上的压力，现已惊人地发现退火过程在程度和效率上都得到了改善。根据本发明，一种或多种具有低氮浓度(其已经选择以具有成功退火的正确量)的合成金刚石的退火在高压和高温条件下进行。
令人惊讶的是使用稳定压力和这些温度有益于晶体完整性。金刚石中扩展晶格缺陷的退火需要碳原子的扩散。金刚石晶格为非常紧密的键合晶格并且在除了某些特定条件下限制了扩散。升高的温度增加了扩散，然而增加的压力通常减少扩散。与低含氮的IIa型金刚石相比，在金刚石中存在显著量氮的Ib型金刚石中显著增强了扩散。虽然现有技术中已经在退火温度为2100℃的Ib型金刚石中显示了改善的晶体完整性，Ib和IIa中扩展缺陷和退火机理完全不同，并且现有技术中教导了很难在低氮浓度的金刚石中除去结构缺陷。此处所述试验步骤的准确机制没有详述。我们的工作发现最好的条件为2200℃以上的温度。
为了进行退火，金刚石样品被压制为低剪切强度材料的圆柱形盘(例如碱金属卤化物)，由此其彻底密封在包装介质中。含有待处理样品的圆盘然后封装在石墨容器中，然后封装在两个钽杯中。
然后将容器放入HPHT(高温高压)室中，所述室实现压力室和炉的功能已达到所需的非常高温和高压条件。
HPHT系统的一个实例为皮带式HPHT压制，其可用于进行退火步骤。然而可以理解的是，还可以使用其它HPHT系统，条件是能够实现所需高温和高压条件。
加热这些结构的通常条件为1600-2500℃的温度，优选约2200℃，以及6.0-8.0GPa的稳定压力，优选约7.5GPa。处理时间可为0.1-48小时，优选4小时。
根据本发明，具有低氮浓度的合适的人造金刚石的晶体完整性可通过本发明方法改善。这种改善价值在于例如同步加速电子束的应用中的金刚石光学材料的制备。
在单晶金刚石材料的HPHT合成中，HPHT-生长的金刚石籽晶通常压成籽晶垫，以使得籽晶的主面位于籽晶垫表面所处的平面。申请人在HPHT人造金刚石材料的合成和表征的研究表明，为了生产高晶体质量的HPHT-生长的金刚石材料，重要的是由主面具有晶体学取向的籽晶开始，由此在随后的生长中不会出现与主面垂直的扩展缺陷(例如位错和堆垛层错)。如果这些条件符合籽晶表面核心或穿过籽晶的扩展缺陷，将会穿过随后生长的材料的中部，并且相对没有扩展缺陷。如果材料长成大于籽晶侧向尺寸的厚度(以与籽晶主面垂直的方向测量)，最后长成的材料将具有相对较大的中心区域，与籽晶相反，其没有源于籽晶或其表面的扩展缺陷。
如果结构缺陷的传播方向仅仅有一小部分与籽晶主面的法线平行，这是有利的。这些组分越小，源于籽晶的没有扩展缺陷的区域形成更快，这将随着晶体生长变厚而增加。
我们已经发现，在用于金刚石材料HPHT合成的典型条件下，位错容易在接近于<110>的方向上传播。堆垛层错位于{111}平面。
例如，这表示{110}取向的平面为籽晶主面较差的选择，这是因为位错将垂直于籽晶的{110}表面传播，并且，{111}堆垛层错平面中的两个将与籽晶的{110}平面垂直。由此，低扩展缺陷密度的区域永远不会形成。
{001}为籽晶主面相对较好的选择。在{001}平面存在两个<110>方向，并且与其成45.0度角。这表示在籽晶表面成核或者由籽晶内部穿过的位错将会随着晶体生长变厚在远离生长中心区域的外侧传播。{001}表面的法线与每个{111}堆垛层错平面成35.3度角，并且堆垛层错也会随着晶体生长变厚远离生长的中部传播，不会在其底部和表面形成位错和堆垛层错。
类似论点可用于在{111}表面上的生长。<110>位错方向与{111}表面法线的角为35.3度。{111}表面法线与三个{111}堆垛层错平面成约19.5度角。堆垛层错和位错预计随着结晶生长变厚传播离开中心区域。明显地，堆垛层错的较小角度表明较高晶体质量中心区域的面积随着厚度增加更慢。
显然，这必须与生长金刚石材料的能力相结合，在该金刚石材料中扩展缺陷例如位错和堆垛层错没有以高频率成核。例如，当晶体中含有杂质时，位错可在生长材料中成核。申请人的研究已经表明：堆垛层错成核产生<111>扇区的可能性高于其它扇区。为此，{001}主籽晶面另外有利于选择生长条件，以产生中心<001>生长扇区和其周围任意较小的扇区(例如<511>和<311>)，以在样品变厚时尽可能快的变大。这降低了{111}扇区内堆垛层错和位错成核化的影响。对于多种应用中，包括材料用作CVD金刚石生长的基材，希望其具有IIa型材料并且排除氮，以使其难以实现同时的高生长速率和控制形态，以最小化较低晶体质量<111>扇区，以使得有效面积的高结晶质量区域可以在短时间内实现。
高结晶质量区域的位置和程度可直接使用X-射线投影形貌术评价，其容许堆垛层错和位错直接成像。当存在中心扇区的由于上述理由的高晶体质量的证据时，可以通过使用DiamondView(商标)成像材料来选择高质材料的产生区域。这使用上述带隙辐射以通过材料中低浓度的点缺陷实现激发发光。这些缺陷可在不同表面加入并且在不同生长扇区的光致发光中产生差异。由于在生长扇区和高晶体质量(如上所述)区域之间存在关联，DiamondView(TM)可用于选定中心<001>扇区，以及其周边的次要扇区，以产生排较除低质量<111>扇区的高晶体质量产品。
高晶体质量区域的面积可通过HPHT退火(在2200℃或更高温度在金刚石稳定压力下)增加，以除去<111>生长扇区中的堆垛层错。当<111>扇区的晶体质量已经使用这种方式通过退火改善时，最好使用直接成像扩展区域的X-射线形貌术，以选择加工样品的合适区域。由于希望包括<111>扇区的材料，对于最佳选择区域，DiamondView(TM)成像不再非常可靠。
在没有显著氮的情况下除去堆垛层错可通过几个物理过程中的一个(或其组合)。施加在封装内金刚石样品的压力不会完全静止(四个方向上相等)。这通过某些金刚石样品在封装中退火支持，其中一个方向长度很大不同于另两个的样品具有裂缝的倾向。因此，然后可能在存在堆垛层错的{111}平面存在分解切应力。由于堆垛层错通常通过局部位错界定，剪切力和高温可能产生这些位错以消除堆垛层错。其中一种方式通过滑动进行：剪切力产生局部位错沿着含有堆垛层错的{111}滑动面的滑动，由此校正晶格中的缺陷。样品在高温下还可能提高滑动速度，由此增加产生可察觉影响的机会。在压力和温度引起位错沿着堆垛层错运动的另一方式为爬升：高温增加了非保留地移动位错所需的空缺或孔隙的吸收或发射率。通过这种方式，堆垛层错的边界可以彻底缩小而除去缺陷。堆垛层错为晶体的亚稳态排列，并且其除去降低了总能量。
本发明将参考以下实施例和附图说明。
图1a为由<100>取向的籽晶在HPHT生长，在合成金刚石中生长扇区的示意图。对于该几何结构，堆垛层错和扩展缺陷主要存在于中心{100}外的生长扇区。为了简化起见，在此实施例中忽略了次要的生长扇区，例如{113}和{115}；
图1b为与图1a相同的示意图，只不过指明切开灰色区域所示的具有高完整性区域的优选生长扇区的板；
图2为使用DiamondView照的水平部分(离开纸面的生长方向)的紫外荧光图像，表明中心区域更高的纯度和更低的荧光(更黑区域)。在某些情况下这可以用于辅助选择具有最高结晶度的区域。不过应当强调的是，当荧光较低时某些区域没有相应于最高晶体纯度；
图3a和图3b为退火之前实施例1中所述的使用同步加速辐射板的{220}投影形貌图。最高晶体纯度的区域为平板中部附近发现的中部矩形。黑暗区域与高密度的位错和堆垛层错有关；和
图4为使用稳定压力在2200℃退火后实施例1的{111}投影形貌图。堆垛层错的密度和可能的位错已经减少。黑斑存在于所有与样品表面污垢/损伤有关的图像中。
人造金刚石从碳在金属熔融物溶液中的生长过程通过在先前存在的金刚石表面加入碳原子层进行，由所谓的籽晶开始。根据图1显然的是，在任意时刻存在不同平面的晶体生长。这些可包括Miller指数(001)定义的立方面、Miller指数(111)定义的八面体面、Miller指数(110)定义的十二面体面，并且其它更小的面不太重要。这些面上的原子排列稍有不同。特别的，原子密度和终止在平面上的原子键合的频率及取向不同。这些面的每一个上的生长过程中存在细微的差异，引起生长速率和外来原子吸收的差异，乃至这些面的每一个上的肉眼可见的包藏物。因此，晶体内性质的差异取决于晶体定位时层的取向。这已经通过制备晶体的抛光部分以包括生长轴和使用紫外光辐射该部分而很好地证实。发光性质的轻微差异通常较强，足以描绘所谓的生长扇区，即共享生长层共同取向的金刚石区域。参见图2。
实施例1
根据本发明方法，使用温度梯度法由人造合成的Ib型HPHT籽晶以低氮浓度生长了HPHT石。晶体产生的母体首先进行机械分选，以得到改进的材料。分选通过磁选择进行以从晶体中分离金属包藏物。进一步分选使用振动台通过外形选择进行，以改善晶体的形状因素，有效选择正面体晶体。进一步分选使用筛孔之间具有小尺寸间歇的筛选系统进行，通常实现大小不超过550微米并且不小于500微米的颗粒。最终，本领域技术人员检查通过上面列出步骤加工的较小量的晶体，以选择合适的晶体并选择具有优选取向如(001)取向的晶体的一个优选面。选择基于晶体完整性、表面和边缘的质量以及不存在应变进行，如可通过极化光学显微术揭示的。选择的籽晶由于根据其测量的双折射、形状、形态和大小进行选择，因此是优选的。
如上所述用于IIa型人造金刚石HPHT(高温高压)合成的籽晶的量、选择和制备为本领域已知，使用铁和钴的溶剂催化剂并使用本领域已知并且能够预防氮吸收在金刚石晶体中的添加剂。HPHT过程在5GPa的压力下和1260-1330℃的温度下进行，生长时间为200小时。
生长之后晶体从溶剂/催化剂金属的固化基质中释放并选择晶体质量。然后使用傅立叶变换红外光谱(FTIR)，重量为3克拉的HPHT金刚石表征为IIa型并且具有小于百万分之(ppm)二的氮浓度。这些金刚石的形态显示主要和次要的面，然而具有显示优选生长扇区的外部形态，最通常为(001)或立方生长扇区。
具有低氮浓度的优选的金刚石通过机械锯或抛光加工成具有典型厚度0.5毫米的三个样品。其中一个板进一步检查。板使用DiamondView(商标)或相当的紫外线荧光显微术检查明显边界的生长扇区的存在，包括已经由选定锯开面生长的优选扇区。
样品在退火前使用同步加速形态学(图3)检查。{001}板置于与平面垂直的光束，名义上平行于X-射线，不过略微倾斜以使得{220}平面将光线衍射到X-射线检测器上。图3中的两个同步加速分域图使用(220)和(2-20)形成。光线中较小倾斜的样品产生相对少量的投影扭曲。
样品已经在2200℃在金刚石稳定压力下HPHT退火1小时后，X-射线分域图使用实验室X-射线装置记录。图4中的四个{111}投影分域图使用四个不同{111}记录。考虑到在每种情况下存在稍有不同的投影，三个分域图已经旋转，以使得每个情况所见的样品的大约相同的视图可以容易地比较从样品特定区域所见的差别。
退火后图像上的黑点由表面特征产生，其可能得自HPHT处理。这些应变区域没有进入样品，并且相应的材料可以抛光。堆垛层错为加入边沿的黑色梯形和三角形特征。在所得X-射线分域图中对比度没有从堆垛层错出现，其中晶格变形的方向在衍射面之内，然而同步加速分域图的组合对{220}和分域图的组合组{111}都将显示样品中存在的所有堆垛层错，可能确定HPHT退火处理是否以某种方式改变了堆垛层错。
图像表明，堆垛层错的大小和位置已经受退火处理影响。在顶部20％和底部20％，不过排除右侧25％，已经很大除去了堆垛层错。样品底部20％在处理后相对没有堆垛层错。显著的堆垛层错能得到第五直到第一预退火分域图已经通过处理除去，使得透明中心区向下伸展。通过X-射线技术测量的扩展缺陷在2×2平方毫米区域内的密度为＜300cm2。

Claims (30)

1.人造HPHT金刚石材料，所述金刚石材料的氮浓度小于百万分之五并且由X-射线形貌术表征的扩展缺陷密度低于400/cm2，其中所述扩展缺陷为位错缺陷和堆垛层错缺陷。
2.根据权利要求1的金刚石材料，其中扩展缺陷密度低于300/cm2。
3.根据权利要求2的金刚石材料，其中扩展缺陷密度低于200/cm2。
4.根据权利要求3的金刚石材料，其中扩展缺陷密度低于100/cm2。
5.根据权利要求1的金刚石材料，其中扩展缺陷密度在大于0.014cm2的区域扩展。
6.根据权利要求1的金刚石材料，其中扩展缺陷密度在大于0.1cm2的区域扩展。
7.根据权利要求1的金刚石材料，其中扩展缺陷密度在大于0.25cm2的区域扩展。
8.根据权利要求1的金刚石材料，其中扩展缺陷密度在大于0.5cm2的区域扩展。
9.根据权利要求1的金刚石材料，其中扩展缺陷密度在大于1.0cm2的区域扩展。
10.根据权利要求1的金刚石材料，其中扩展缺陷密度在大于2.0cm2的区域扩展。
11.根据权利要求1的金刚石材料，其中氮浓度小于4ppm。
12.根据权利要求1的金刚石材料，其中氮浓度小于2ppm。
13.根据权利要求1的金刚石材料，其中氮浓度小于0.5ppm。
14.根据权利要求1的金刚石材料，其中氮浓度小于百万分之0.05。
15.根据权利要求1的金刚石材料，其中金刚石材料为IIa型。
16.改善氮浓度小于5ppm的人造金刚石晶体完整性的方法，所述方法包括在2150-2500℃的高温和6-8GPa的高压下加热所述人造金刚石的步骤，使得所述改善的金刚石由X-射线形貌术表征的扩展缺陷密度低于400/cm2，其中所述扩展缺陷为位错缺陷和堆垛层错缺陷。
17.根据权利要求16的方法，其中温度为大于2200℃至2500℃。
18.根据权利要求17的方法，其中温度为大于2225℃至2500℃。
19.根据权利要求16的方法，其中压力为大于7.0GPa至8GPa。
20.根据权利要求16的方法，其中人造金刚石在高温下加热0.1-48小时。
21.根据权利要求16的方法，其中使用溶剂催化剂。
22.根据权利要求16的方法，其中铁钴用在溶剂催化剂中。
23.根据权利要求16的方法，其中铁镍用在溶剂催化剂中。
24.根据权利要求1的材料的用途，所述材料用作光学元件。
25.根据权利要求1的材料的用途，所述材料用作用于电子设备的基材。
26.根据权利要求1的材料的用途，所述材料用作用于通过激光束的光学元件。
27.根据权利要求1的材料的用途，所述材料用作光学透镜。
28.根据权利要求1的材料的用途，所述材料用作用于同步辐射的光学元件。
29.根据权利要求1的材料的用途，所述材料用于装饰应用。
30.根据权利要求1的材料的用途，所述材料用作用于CVD的基质材料。
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