CN103732535B - 多晶金刚石及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米多晶金刚石(1)，其包括碳和多种非碳杂质。每一种所述杂质的浓度均等于或小于0.01质量%，并且该纳米多晶金刚石(1)的晶粒尺寸（最大长度）至多为500nm。该纳米多晶金刚石(1)可以由以下方法制造：制备杂质浓度至多为0.01质量%的石墨，然后使该石墨经受高温和极高的压力，从而将所述石墨转化为金刚石。
Description
技术领域
本发明涉及多晶金刚石及其制造方法，特别是具有纳米尺寸的晶粒的多晶金刚石（以下称为“纳米多晶金刚石”）及其制造方法，可用于磁感应的纳米多晶金刚石及其制造方法，以及具有优异导热性的纳米多晶金刚石及其制造方法。
背景技术
近来已经证实了纳米多晶金刚石烧结体具有超过天然单晶金刚石的硬度并且具有作为工具的出色性能。纳米多晶金刚石烧结体的硬度用努普硬度表示大约为120GPa至130GPa。例如，在日本专利特开第2003-292397号公报和DiamondandRelatedMaterials,15(2006),1576至1579页中描述了这种多晶金刚石的一个例子。
另一方面，对小型工具和具有高耐磨性的工具的需要在增加，并且人们需求具有更高硬度的金刚石材料。
此外，已知通过利用金刚石内部的NV（氮空位）中心可以进行磁感应。例如，J.R.Maze等人在Nature,第455卷,644至647页(2008)的“Nanoscalemagneticsensingwithanindividualelectronicspinindiamond（利用金刚石中电子自旋的纳米级磁感应）”中作出了关于利用金刚石中单个电子的自旋的磁感应的报告。
近来已经证实了多晶金刚石烧结体具有超过天然单晶金刚石的硬度并且具有作为工具的出色性能。纳米多晶金刚石烧结体的硬度用努普硬度表示大约是120GPa至130GPa。例如，在日本专利特开第2003-292397号公报和DiamondandRelatedMaterials,15(2006),1576至1579页中描述了这种纳米多晶金刚石的一个例子。
此外，对小型工具和具有高耐磨性的工具的需要在增加，并且人们需求具有更高硬度的金刚石材料。例如，在日本专利特开第2007-55819号公报中描述了这样的高硬度金刚石多晶体的一个例子。
另一方面，也已作出了关注于金刚石的导热性的报告。例如，J.Appl.Phys.69(12),1991年6月15日,8122至8125页中作出了关于同位素富集的多晶金刚石膜的导热性的报告；DiamondandRelatedMaterials,1(1992),717至726页报告了同位素组成改变时金刚石的特性。
[文献列表]
[专利文献]
专利文献1：日本专利特开第2003-292397号公报
专利文献2：日本专利特开第2007-55819号公报
[非专利文献]
非专利文献1：DiamondandRelatedMaterials,15(2006),1576至1579页
非专利文献2：J.R.等人,"Nanoscalemagneticsensingwithanindividualelectronicspinindiamond（利用金刚石中电子自旋的纳米级磁感应）"Nature,455卷,644至647页(2008)
非专利文献3：J.Appl.Phys.69(12),1991年6月15日,8122至8125页
非专利文献4：DiamondandRelatedMaterials,1(1992),717至726页
发明内容
技术问题
单晶金刚石包括人们所称呼的IIa型金刚石和Ib型金刚石。IIa型金刚石是几乎不含代表杂质的氮的高纯度金刚石，Ib型金刚石是一种含杂质金刚石，其包含约0.1%的代表杂质的氮。基于这些金刚石的硬度比较，人们已经知道IIa型金刚石比Ib型金刚石更硬。因此据估计可以通过降低单晶金刚石中的杂质含量以达到更高纯度，从而提高单晶金刚石的硬度。
虽然单晶金刚石的情况被认为也同样适用于纳米多晶金刚石的情况，但是在纳米多晶金刚石的情况下，很难像单晶金刚石那样达到更高的纯度。这是因为在合成纳米多晶金刚石的步骤中，通常将以Si、B、H和N为代表的许多杂质引入到了金刚石中。
虽然可以通过（例如）将石墨直接转化为金刚石来合成纳米多晶金刚石，但是市售石墨是由焦炭或沥青制成的，因此很难避免石墨中杂质的引入。因此，杂质也将被带入用这种方法合成的纳米多晶金刚石中。而且，即使将石墨的纯度变高，以现有技术的状态也很难除去在石墨的制造过程中引入的杂质。未完全除去的杂质偏析于所合成的纳米尺寸金刚石晶体的晶界处，并且金刚石晶体趋向于在晶界处滑动，这会影响纳米多晶金刚石硬度的增加。如上，通过常规技术，增加纳米多晶金刚石的纯度和硬度已经受到限制。
另一个令人关注的问题是，由于金刚石中存在大量杂质，因此该杂质将对NV中心的荧光强度构成不利的影响，并且还会增加决定灵敏度的共振线的宽度，并且最终会降低磁感应的准确度。
在合成多晶金刚石的传统步骤中，将以氢、氮、硅、以及硼为代表的许多杂质引入到金刚石中。虽然（例如）可以通过直接将石墨转化为金刚石来制造纳米多晶金刚石，商售石墨是由焦炭或沥青制成因此很难避免石墨中杂质的引入。因此，杂质同样会被带入用这种方法合成的多晶金刚石中。而且，即使将石墨的纯度变高，以现有技术的状态也很难除去在石墨的制造过程中引入的杂质。未完全除去的杂质会偏析于所合成的金刚石晶体的晶界处。
因此，由于所得多晶金刚石含有许多杂质，人们一直认为难以利用多晶金刚石来制造适合磁感应的基底。人们一直认为尤其在具有纳米尺寸的小晶粒的纳米多晶金刚石情况下是非常困难的。
另一问题在于，由于纳米多晶金刚石的晶粒尺寸较小，因而声子散射明显。因此，现已发现纳米多晶金刚石的导热率低于单晶金刚石或普通多晶金刚石的导热率。
另一方面，现已发现碳同位素的浓度越高，则单晶金刚石的导热率越高。然而，对于用气相沉积法（CVD）制造的多晶金刚石，即使其碳同位素的浓度升高，导热率也不会变高。因此，人们一直认为在多晶金刚石中不会明显地表现出同位素的效果，并且导热率不会变高。
如上，即使碳同位素的浓度变高，也难以提高纳米多晶金刚石的导热率。
鉴于上述问题做出了本发明，并且本发明的一个目的是提供具有高纯度和高硬度的纳米多晶金刚石及其制造方法。
本发明的另一个目的是提供能够用于磁感应的纳米多晶金刚石及其制造方法。
本发明的又一个目的是提供导热性优异的多晶金刚石及其制造方法。
问题的解决方案
根据本发明的多晶金刚石是具有前所未有的高纯度水平的金刚石（例如，通过混合粉末并将该粉末进行热处理的常规方式而不能达到的水平）。具体地，多晶金刚石由碳和除碳以外的多种杂质组成。该多晶金刚石的多种杂质中每种杂质的浓度不大于0.01质量%，并且其晶粒尺寸（最大长度）不超过500nm。
上述多晶金刚石整体上的杂质浓度极低。在根据本发明的多晶金刚石中，未观察到如同常规实例中的杂质偏析，并且在任何部分杂质含量均极低。而且，晶界处这些杂质的浓度同样不高于约0.01质量%。由于杂质浓度如此之低，该多晶金刚石的努普硬度也很高，例如，该多晶金刚石具有不低于150GPa的努普硬度。
所述多种杂质包括氢、氧、氮、硅、以及硼。在多晶金刚石中，氢的浓度为（例如）不高于约2×1018/cm3；氧的浓度为（例如）不高于约2×1017/cm3；氮的浓度为（例如）不高于约4×1016/cm3；硅的浓度为（例如）不高于约1×1016/cm3；并且硼的浓度为（例如）不高于约2×1015/cm3。
可通过烧结石墨来制造以上的多晶金刚石，该石墨是由纯度不低于99.99%的烃在不低于1500℃的温度下的直接热分解而获得的。
根据本发明的制造多晶金刚石的方法包括以下步骤：制备石墨，该石墨中杂质的浓度不高于0.01质量%；以及将石墨在超高压力和高温下进行热处理，从而将石墨转化为金刚石。
在将石墨转化为金刚石的步骤中，优选的是，所述石墨是在未添加烧结助剂或催化剂的情况下，于高温和高压下转化为金刚石的。而且，制备石墨的步骤可包括如下步骤：将引入真空室中的纯度不低于99.99%的烃类气体在不低于1500℃的温度下进行热分解，从而在基材上形成石墨。此外，在将石墨转化为金刚石的步骤中，可首先将形成于基材上的石墨载入真空室中，在该真空室中对石墨进行热处理，然后将石墨保持在不低于12GPa的高压和不低于1500℃的高温的条件下进行热处理，从而合成金刚石。
可以列举（例如）氢、氧、氮、硅、以及硼作为以上石墨中的杂质。这些杂质的浓度理论上与包含在所得多晶金刚石中的杂质浓度相同。
在另一方面，根据本发明的多晶金刚石是基本上由特定的碳同位素构成的金刚石，该金刚石为多晶体，并且可以用于磁感应。具体地，多晶金刚石由碳以及除所述碳以外的多种杂质构成，其中在所述碳中，碳同位素12C的纯度不低于99.9质量%。该多晶金刚石的多种杂质中每一种杂质的浓度均不高于0.01质量%，并且晶粒尺寸（最大长度）不大于500nm。
以上多晶金刚石具有小晶粒尺寸，包含高纯度的碳同位素12C，并且其整体上的杂质浓度极低。在根据本发明的多晶金刚石中，未观察到如常规实例中的杂质偏析，并且在任何部分杂质含量均极低。因此，位于晶界处的杂质浓度也不高于约0.01质量%。由于杂质浓度如此之低且晶粒尺寸小，因此该多晶金刚石的努普硬度也很高，例如，该多晶金刚石具有不低于150GPa的努普硬度。
可以列举（例如）氢、氧、氮、硅、以及硼作为以上的多种杂质。在多晶金刚石中，氢的浓度为（例如）不高于约2×1018/cm3；氧的浓度为（例如）不高于约2×1017/cm3；氮的浓度为（例如）不高于约4×1016/cm3；硅的浓度为（例如）不高于约1×1016/cm3；并且硼的浓度为（例如）不高于约2×1015/cm3。
可通过烧结石墨来制造以上的多晶金刚石，该石墨是由碳同位素12C的纯度不低于99.99质量%的烃在不低于1500℃的温度下的直接热分解而获得的。
另一方面，根据本发明的一种制造多晶金刚石的方法包括以下步骤：制备石墨，该石墨由烃类气体的热分解而获得，其中该烃类气体的碳同位素12C的纯度不低于99.9质量%并且其化学纯度不低于99质量%；以及通过在高温和高压压制装置内对所述石墨进行热处理，从而将所述石墨转化为金刚石。
在将所述石墨转化为金刚石的所述步骤中，优选的是，在未添加烧结助剂或催化剂的情况下，在高压下对所述石墨进行热处理。此外，所述制备石墨的步骤包括如下步骤：将引入真空室中的所述烃类气体在不低于1500℃的温度下进行热分解，从而在基材上形成石墨。此外，在将石墨转化为金刚石的步骤中，在不低于7GPa的高压和1500℃或更高的温度下对形成于所述基材上的所述石墨进行热处理。所述石墨的堆密度不低于1.4g/cm3。
在另一个方面，根据本发明的多晶金刚石是基本上由特定的碳同位素构成的金刚石，其具有前所未有的导热性和晶粒尺寸水平。具体而言，多晶金刚石由碳以及除了所述碳以外的多种杂质组成，其中所述碳基本上由12C和13C中的任意碳同位素构成，并且该多晶金刚石的多种杂质中每种杂质的浓度均不高于0.01质量%，并且晶粒尺寸（最大长度）不大于500nm。
所述多晶金刚石具有小晶粒尺寸，其包含高纯度的12C或13C，并且其整体上杂质浓度极低。在根据本发明的多晶金刚石中，未观察到如常规实例中的杂质偏析，并且在任何部分杂质含量均极低。因此，晶界处这些杂质的浓度不高于约0.01质量%。由于杂质浓度如此之低且晶粒尺寸小，因此该多晶金刚石的努普硬度也很高，例如，该多晶金刚石具有不低于140GPa的努普硬度。
可以列举（例如）氢、氧、氮、硅、以及硼作为以上的多种杂质。在多晶金刚石中，氢的浓度为（例如）不高于约2×1018/cm3；氧的浓度为（例如）不高于约2×1017/cm3；氮的浓度为（例如）不高于约4×1016/cm3；硅的浓度为（例如）不高于约1×1016/cm3；并且硼的浓度为（例如）不高于约2×1015/cm3。
可通过烧结石墨来制造以上的多晶金刚石，该石墨是由碳同位素12C或13C的纯度不低于99.99质量%的烃在不低于1500℃的温度下的直接热分解而获得的。
在又另一方面中，根据本发明的一种制造多晶金刚石的方法包括以下步骤：制备石墨，该石墨由碳同位素12C或13C的纯度不低于99.9质量%的烃类气体的热分解而获得；以及通过在高压压制装置内对所述石墨进行热处理，从而将所述石墨转化为金刚石。
在将石墨转化为金刚石的步骤中，在未添加烧结助剂或催化剂的情况下在高压压制装置内对石墨进行热处理。此外，制备石墨的步骤可包括如下步骤：通过将引入真空室中的所述烃类气体在不低于1500℃的温度下进行热分解，从而在基材上形成石墨。此外，在将石墨转化为金刚石的步骤中，在不低于7GPa的高压和1500℃或更高的温度下对形成于基材上的石墨进行热处理。石墨的堆密度不低于1.4g/cm3。
本发明的效果
由于根据本发明多晶金刚石中所含杂质的浓度不高于0.01质量%，因此获得了具有前所未有的高硬度的纳米多晶金刚石。
在根据本发明的多晶金刚石制造方法中，由于通过对杂质浓度不高于0.01质量%的石墨进行热处理来将石墨转化为金刚石，因此能够制得具有前所未有的高纯度和高硬度的纳米多晶金刚石。
根据本发明另一方面的多晶金刚石中，由于碳中碳同位素12C的浓度设为99.9质量%或更高并且金刚石中各种杂质的浓度极低，即不高于0.01质量%，因此与常规多晶金刚石相比，能够进行利用NV中心的磁感应。
在根据本发明另一方面的多晶金刚石制造方法中，由于通过对碳同位素12C的纯度不低于99.9质量%且化学纯度不低于99质量%的烃类气体进行热分解，以获得碳同位素12C的纯度不低于99.9质量%且化学纯度不低于99质量%的石墨（固态碳），并通过对该石墨进行热处理而将其转化为金刚石，因此可制得含有高纯度的碳同位素12C的多晶金刚石，其中该多晶金刚石中的杂质浓度极低。即，可制得能够利用NV中心进行磁感应的多晶金刚石。
根据本发明的又一方面，由于多晶金刚石基本上由12C和13C中的任何碳同位素构成、并且杂质浓度不高于0.01质量%，因此可以获得具有前所未有的优异导热性的纳米多晶金刚石。
在根据本发明又一方面的制造多晶金刚石的方法中，由于通过将碳同位素12C或13C的纯度不低于99.9质量%的烃类气体进行热分解以制备石墨（固态碳），并且通过对该石墨进行热处理而将其转化为金刚石，因此可以制造具有前所未有的优异导热性的纳米多晶金刚石。
附图说明
图1为示出了如何由形成于基材上的石墨制得本发明的一个实施方式中的纳米多晶金刚石的透视图。
图2是示出了本发明的一个实施方式中纳米多晶金刚石中杂质分布的一个例子的图。
图3是示出了由常规高纯度石墨材料制造的纳米多晶金刚石中杂质分布的一个例子的图。
图4为示出了如何由形成于基材上的石墨制得本发明的另一个实施方式中的纳米多晶金刚石的透视图。
图5为示出了如何由形成于基材上的石墨制得本发明的又另一个实施方式中的纳米多晶金刚石的透视图。
具体实施方式
下面参照图1至3描述本发明的实施方式。
本发明实施方式的纳米多晶金刚石中的杂质含量极低。这里，“杂质”是指除了碳以外的其他元素。虽然纳米多晶金刚石通常含有多种不可避免的杂质，但是在本实施方式的纳米多晶金刚石中，每种杂质的浓度均不高于0.01质量%。
如图1所示，本实施方式中纳米多晶金刚石1在基材2上形成。可通过对形成于基材2上的石墨10进行热处理从而制得纳米多晶金刚石1。石墨10是一体的固体并包含结晶化部分。在图1的例子中，虽然多晶金刚石1和石墨10呈类似平板的形状，但它们可以具有任何形状和厚度。
引入石墨中的杂质可以列举氮、氢、氧、硼、硅、促进晶粒生长的过渡金属等。在常规实例中，氮在晶界处大量沉淀，并且通常晶界处的浓度也有数百ppm。因此，晶粒趋向于在晶界处滑动。在晶界处氢通过sp2键合而稳定，因此降低了石墨的硬度。在由常规石墨制造的金刚石烧结体中，由于如上所述的石墨原材料是焦炭或沥青，因此尽管对其进行高纯化处理，也不可避免地在石墨中引入大约数百ppm的氢。氧易于与碳反应，而且其与硼形成氧化物并促进晶粒的局部生长。此外，氮和硼导致晶粒在晶界处滑动，这阻碍了硬度提高到本质硬度极限（essentialhardnesslimit）。
在用于制造本实施方式中的纳米多晶金刚石的石墨中，诸如氮、氢、氧、硼、硅、以及过渡金属之类的杂质的含量为0.01质量%或更低。即，石墨中杂质的浓度近似不高于SIMS（二次离子质谱）分析的检出限。此外，石墨中过渡金属的浓度近似地不高于ICP（电感耦合等离子体）分析或SIMS分析的检出限。
因而，在石墨中的杂质量降低到SIMS分析或ICP分析的检出限的水平且金刚石由该石墨制成的情况下，能够制造非常高纯度和高硬度的金刚石。值得注意的是，即使在采用了包含稍微高于SIMS分析或ICP分析检出限的杂质的石墨时，也能获得具有显著优于常规实例的特性的金刚石。
在本实施方式的纳米多晶金刚石中，其整体上杂质的含量极低。此外，在该纳米多晶金刚石中，未观察到如常规实例中的杂质偏析，并且在任何部分杂质浓度都极低。而且，晶界处的杂质浓度也不高于约0.01质量%。由于晶界处的杂质浓度如此之低，因此能够抑制晶界处晶粒的滑动并且能够增强晶粒之间的键合。从而多晶金刚石可以具有高努普硬度。另外，也能有效地抑制晶粒的异常生长，并且还能减小晶粒尺寸的波动。
在本实施方式中纳米多晶金刚石包含（例如）氢、氧、氮、硅、以及硼的情况下，在纳米多晶金刚石中，氢的浓度为不高于约2×1018/cm3；氧的浓度为不高于约2×1017/cm3；氮的浓度为不高于约4×1016/cm3；硅的浓度为不高于约1×1016/cm3；以及硼的浓度为不高于约2×1015/cm3。在纳米多晶金刚石中，优选的是，氢的浓度不高于约5×1017/cm3；氧的浓度为不高于约1×1017/cm3；氮的浓度为不高于约1×1016/cm3；硅的浓度为不高于约5×1015/cm3；以及硼的浓度为不高于约7×1014/cm3。
本实施方式中纳米多晶金刚石的晶粒尺寸（最大长度）不大于500nm。更优选地，该纳米多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸（最大长度）。
图2示出了本发明的一个实施方式中纳米多晶金刚石中的杂质分布的一个例子。图3示出了由常规高纯度石墨材料制造的纳米多晶金刚石中杂质分布的一个例子，以作为比较用例子。
如图2和3中所示，可以看出，在任何的金刚石中，虽然在金刚石的纵深方向上每种杂质浓度的波动均相对较小，然而本实施方式的纳米多晶金刚石中的杂质量处于极低水平。由于纳米多晶金刚石中的杂质量可以较小（如后述的各实施例中所述），因此纳米多晶金刚石能够具有极高的努普硬度，例如，高达约150GPa或更高的努普硬度。
有利的是，石墨的堆密度（例如）为不低于0.8g/cm3。石墨的堆密度更优选为不低于1.4g/cm3。通过如此设定密度，能够使得因高温和高压过程中的压缩而造成的体积变化被抑制至较小的水平，并且不仅有助于温度控制，而且也能提高产率。
现在描述本实施方式中制造纳米多晶金刚石的方法。
例如，可通过在真空室中对杂质浓度不高于0.01质量%的石墨进行热处理并将石墨转化为金刚石，从而制造根据本实施方式的纳米多晶金刚石。即，可通过在真空室中将杂质浓度极低的固相碳进行热处理，从而制造根据本实施方式的纳米多晶金刚石。
可以在制造纳米多晶金刚石之前，在真空室内制造石墨，或者可以单独制备并储存预先形成于基材上的石墨。在纳米多晶金刚石制造前于真空室内制造石墨的情况下，首先，可将基材设置于真空室中，可在该基材上制造石墨，并且随后在同一真空室中对石墨进行热处理。此外，可将该石墨传送到与真空室相连的手套箱中，并且在手套箱中的压力室（pressurecell）内进行包装和密封。这种情况下，可以在真空室内持续地密封石墨和纳米多晶金刚石的原材料，并且可以进一步有效地抑制杂质被引入金刚石中。
可以通过将引入真空室中的纯度不低于99.99%的烃类气体在不低于1500℃的温度下进行热分解，从而将石墨形成在基材上。这里，有利的是，真空室中的真空度设置为大约20托至100托。由此，可直接由处于气相的烃在基材上形成一体的晶体或多晶体固相石墨。此外，可以在基材上制得杂质量极低的石墨。值得注意的是优选采用甲烷气体作为烃类气体。
在基材上制备石墨时，将设置在真空室中的基材加热到不低于1500℃的温度。可以采用众所周知的技术作为加热方法。例如，可以在真空室内设置这样一种加热器，该加热器能够直接或间接地将基材加热至不低于1500℃的温度。
可以使用任何固相材料作为用于制造石墨的基材，只要该材料能够经受住大约1500℃至3000℃的温度即可。特别地，可以用金属、无机陶瓷材料、或碳材料作为基材。从抑制将杂质引入石墨的角度考虑，基材优选由碳制成。作为固相碳材料，可以列举金刚石或石墨。在将石墨用作基材的情况下，可将通过上述技术制得的杂质量极低的石墨用作基材。在将诸如金刚石和石墨之类的碳材料用作基材的材料的情况下，至少该基材的表面应当仅由碳材料构成。例如，仅基材的表面由碳材料构成，而基材的剩余部分可由碳材料以外的其他材料构成，或者整个基材均由碳材料构成。
由于本实施方式的金刚石的合成未经过马氏体相变，因此石墨的晶粒尺寸没有特别的限制。
作为石墨中的杂质，可以列举（例如）氢、氧、氮、硅、以及硼。这些杂质的浓度理论上与包含在所得多晶金刚石中的上述杂质浓度近似相同。
在将石墨转化为金刚石的步骤中，优选在未添加烧结助剂或催化剂的情况下，在高压下对所述石墨进行热处理。作为合成金刚石的条件，温度仅应设置为大约1200℃至2500℃，并且压力仅应设置为大约7GPa至25GPa。优选的是，合成温度不低于1900℃，合成压力不低于12GPa。
可施加单轴压力或各向同性压力以进行金刚石的合成。然而，从通过施加各向同性压力来实现相同的晶粒大小和相同的晶体各向异性度的角度来看，优选在液体静压力下进行合成。
现在描述本发明的实施例。
实施例1
在真空室中，将99.999%纯度的甲烷气体吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室中的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。上述多晶金刚石的SIMS分析结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。而且，在上述多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到除金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
（比较例1）
对由焦炭或沥青制成的石墨进行3次高温卤化处理，以使其具有更高的纯度，并且将该石墨用作原材料。使用超高压力机在2200℃的温度和15GPa的压力下由以上石墨直接获得多晶金刚石。该多晶金刚石具有50nm至300nm的晶粒尺寸。SIMS分析结果为：检测到H、N、B、O、以及Si，并且其程度（degree）为实施例1中的10至1000倍。也检测到了不低于5×1016/cm3的Si。该多晶金刚石具有120GPa的努普硬度。
（比较例2）
利用日本特开第2009-67609号公报中示出的方法，采用非金刚石碳物质作为原材料，并且在2200℃的温度和15GPa的压力下直接获得多晶金刚石。该多晶金刚石具有50nm至300nm的晶粒尺寸。氢和氧分别不高于200ppm和50ppm，并且努普硬度为120GPa。SIMS分析的结果为，检测到N、B、以及Si，并且其程度为实施例1中的10至1000倍。因此，可以认为N、B和Si的除去极大地影响硬度。
实施例2
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室中的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例3
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。而且，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例4
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例5
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例6
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例7
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例8
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例9
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例10
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例11
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例12
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例13
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例14
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有170GPa的努普硬度。
实施例15
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有205GPa的努普硬度。
实施例16
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例17
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例18
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有205GPa的努普硬度。
实施例19
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有205GPa的努普硬度。
实施例20
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例21
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有198GPa的努普硬度。
实施例22
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例23
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例24
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例25
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例26
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例27
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例28
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例29
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例30
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例31
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例32
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例33
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例34
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例35
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例36
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例37
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例38
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例39
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例40
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例41
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例42
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有170GPa的努普硬度。
实施例43
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有205GPa的努普硬度。
实施例44
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例45
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例46
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有205GPa的努普硬度。
实施例47
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有205GPa的努普硬度。
实施例48
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例49
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有198GPa的努普硬度。
实施例50
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例51
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例52
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例53
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例54
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例55
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例56
在真空室中，使99.999%纯度的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石SIMS分析的结果为：H、N、B、O、以及Si的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
在上面的例子中，可以确认，通过在大约2000℃至2500℃的温度和大约15至16GPa的压力下对石墨进行热处理，可以制造具有高纯度和高硬度的、努普硬度大约为150GPa至205GPa的纳米多晶金刚石，其中该石墨由纯度不低于99.999%的烃类气体热分解制得，该石墨为固态、堆密度为1.6g/cm3至2.0g/cm3、并且纯度极高。然而，据认为，即使条件在上述范围以外，但在专利权利要求范围所描述的范围内就能制造具有相当性质的纳米多晶金刚石。
以下将参照图4描述本发明的另一类型的实施方式。
本实施方式中纳米多晶金刚石基本上由碳同位素12C构成，并含有极小量的杂质。虽然纳米多晶金刚石通常包含多种不可避免的杂质，但是在本实施方式的纳米多晶金刚石中，每种杂质的浓度都均不高于0.01质量%。
如图4所示，本实施方式中纳米多晶金刚石1形成在基材2上。可以通过对基本上由高纯度碳同位素12C构成并在基材2上形成的石墨10进行热处理来制造纳米多晶金刚石1。
本实施方式中纳米多晶金刚石1整体上杂质浓度极低，未观察到如常规实例中的杂质偏析，并且在任何部分中的杂质含量都极低。因此，纳米多晶金刚石的晶界处的杂质浓度同样不高于约0.01质量%。
因此，在本实施方式的纳米多晶金刚石中，由于金刚石中每种杂质的浓度都极低，即，不高于0.01质量%，因此可以有效地抑制杂质对金刚石内部的NV中心的荧光强度或决定灵敏度的共振线宽度的不利影响。因此，通过本实施方式的纳米多晶金刚石，能够进行利用NV中心的磁感应。
而且，通过浓缩碳同位素12C以达到不低于99.9质量%的高纯度（在包含碳的同位素13C的情况下，碳同位素13C的浓度不高于0.1质量%），同样可以有效地抑制不必要的核自旋或电子自旋。此外，在由碳同位素12C和13C混合构成的金刚石晶体中，碳同位素13C的浓度设定为0.1质量%或更低，以便更有效地减小核自旋带来的影响。
值得注意的是，相邻自旋之间的距离优选为不小于大约数十纳米。而且，具有相当于核自旋磁矩1000倍的自旋磁矩的电子自旋优选为不高于1/1000，即，不高于0.001%。
在磁力测定中，应该仅利用NV中心的荧光和由磁响应导致的荧光变化。例如，在特定的微波发射情况下，由金刚石中吸收波长为400nm至500nm的光引起的638nm或1042nm的光发射响应于外部磁场而展现出强度的变化，可利用该现象来进行磁力测定。
在本实施方式中的纳米多晶金刚石包含（例如）作为杂质的氢、氧、氮、硅、以及硼的情况下，在纳米多晶金刚石中，氢的浓度为不高于约2×1018/cm3；氧的浓度为不高于约2×1017/cm3；氮的浓度为不高于约4×1016/cm3；硅的浓度为不高于约1×1016/cm3；并且硼的浓度为不高于约2×1015/cm3。优选的是，在纳米多晶金刚石中，氢的浓度为不高于约5×1017/cm3；氧的浓度为不高于约1×1017/cm3；氮的浓度为不高于约1×1016/cm3；硅的浓度为不高于约5×1015/cm3；并且硼的浓度为不高于约7×1014/cm3。
在本实施方式的纳米多晶金刚石中，如上所述，由于晶界处的杂质浓度也极低，因此能够抑制晶界处的晶粒滑动。从而，与用常规CVD方法制造的多晶金刚石相比，可以加强晶粒之间的键合。
此外，由于本实施方式中纳米多晶金刚石的各向异性小于诸如单晶金刚石之类的其他金刚石，因此能够以各种形状使用。例如，其可以是针状，这样便可以直接插入对象中。这种情况下，也能够测试硬质基底。此外，本实施方式中的纳米多晶金刚石可以是薄板状，并且也可以将样品放置其上进行测试。同样在这种情况下，由于不容易开裂，因此纳米多晶金刚石不容易破裂，并且向其施加压力时可以观察到物质或细胞的磁响应。
此外，随着碳同位素的纯度提高，不仅晶体在纳米多晶金刚石的晶界处的滑动更加不容易，而且还能消除由于碳同位素的浓缩而导致的碳同位素的不均匀性。因此，纳米多晶金刚石中的所有晶粒被键合成类似于一个晶体，并且与普通金刚石多晶的晶界相比，即使在晶界处分子之间仍能以接近单晶的状态相互键合。由于这种协同效应，本实施方式中纳米多晶金刚石可具有大约150GPa或更高的努普硬度。此外，由于与仅具有高纯度的碳相比，导热性更高并且同位素的不均匀性更低，因此也获得了这样的附加效果，即：由摩擦导致的磨损变小，并且在大气中和室温至800℃的范围的耐磨性大约是浓缩同位素的耐磨性的3倍。
除了上述方面之外，同样可以有效地抑制金刚石合成过程中晶粒的异常生长，并且也能减小晶粒尺寸的波动。具体地，本实施方式中纳米多晶金刚石具有不大于500nm的晶粒尺寸（最大长度）。更具体地，纳米多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸（最大长度）。
现在描述能用于制造本实施方式中纳米多晶金刚石的石墨。
石墨是一体的固体碳并含有结晶化部分。在图4的例子中，虽然多晶金刚石1和石墨10具有类似平板的形状，但是其可以具有任何形状和厚度。此外，诸如石墨10中的杂质浓度等成分也基本上由纳米多晶金刚石1继承。
石墨的结晶化部分中的晶粒尺寸（晶粒的最大长度）没有特别限制。无论石墨是多晶还是单晶，本实施方式中杂质的浓度和同位素的浓缩是非常重要的，由于石墨经历了非马氏体相变，因而多晶金刚石可以有纳米尺度的晶粒。这里，少量杂质带来了防止晶粒过度生长的有利影响，并且可以容易地得到不大于100nm的粒径。
有利的是，石墨的堆密度为（例如）不低于0.8g/cm3。石墨的堆密度优选为不低于1.4g/cm3。通过如此设定密度，能够将因高温和高压工艺中的压缩而造成的体积变化抑制至较小的水平，并且不仅有助于温度控制而且也能提高产率。
引入石墨中的杂质可以列举氮、氢、氧、硼、硅、促进晶粒生长的过渡金属等。如前所述，氮在晶界处的沉淀量较大，并且在常规实例中，晶界处的浓度通常也有数百ppm。因此，晶粒趋向于在晶界处滑动。氢在晶界处通过sp2键而稳定化，从而降低了石墨的硬度。由于在前述的由常规石墨来制造金刚石烧结体中的石墨原材料为焦炭或沥青，因此尽管对石墨进行高度纯化处理也同样不可避免地在石墨中引入大约数百ppm的氢。氧很容易与碳反应，而且氧会与硼形成氧化物并促进晶粒的局部生长。而且，氮和硼会导致晶粒在晶界处的滑动，这阻碍了将硬度提高到本质硬度的极限。
在用于制造本实施方式中的纳米多晶金刚石的石墨中，诸如氮、氢、氧、硼、硅、以及过渡金属之类的杂质含量为0.01质量%或更低。即，石墨中杂质的浓度近似不高于SIMS（二次离子质谱）分析的检出限。此外，石墨中过渡金属的浓度近似地不高于ICP（电感耦合等离子体）分析或SIMS分析的检出限。
由此，在石墨中的杂质量降低到SIMS分析或ICP分析的检出限水平且由该石墨制成金刚石的情况下，能够制造非常高纯度和高硬度的金刚石。值得注意的是，即使采用了杂质含量稍微高于SIMS分析或ICP分析的检出限的石墨，也能获得具有显著优于常规例子的特性的金刚石。
现在描述本实施方式中制造纳米多晶金刚石的方法。
通过在高温和高压压制装置内对石墨进行热处理，从而将所述石墨转化为金刚石，由此制得本实施方式的纳米多晶金刚石，其中该石墨由烃类气体的热分解而获得，其中该烃类气体的碳同位素12C的纯度不低于99.9质量%（在含有碳的同位素13C的情况下，碳同位素13C的浓度不高于0.1质量%）并且其化学纯度不低于99质量%。即，根据本实施方式的纳米多晶金刚石可以通过在真空环境下对固相石墨进行热处理来制造，其中该石墨基本上由高纯度碳同位素12C构成并且具有极低的杂质浓度。
可以在纳米多晶金刚石制造前，在真空室内制造上述石墨，或者可单独制备并储存预先形成在基材等上的石墨。
可通过将引入真空室中的纯度不低于99.99%并且其化学纯度不低于99质量%的烃类气体在不低于1500℃且不高于3000℃的温度下进行热分解，从而在基材上形成石墨。这里，该真空室里的真空度优选设置为大约20托至100托。由此，可以直接由气相烃在基材上形成一体的结晶或多晶体固相石墨。而且，可以在基材上制得杂质的量极小的石墨。值得注意的是优选采用甲烷气体作为烃类气体。
在基材上制备石墨时，将设置在真空室中的基材加热到不低于1500℃的温度。可以采用众所周知的技术作为加热方法。例如，可以在真空室内设置能够直接或间接地加热基材至不低于1500℃的温度的加热器。
可以用任何固相材料作为制造石墨的基材，只要其为能够经受住大约1500℃至3000℃的温度的材料即可。特别地，可以用金属、无机陶瓷材料和碳材料作为基材。从抑制石墨中杂质的引入的观点考虑，基材优选由碳制成。作为固相碳材料，可以列举金刚石或石墨。在将石墨用作基材时，可将通过上述技术制得的杂质量极低的石墨用作基材。在采用诸如金刚石和石墨之类的碳材料作为基材的材料的情况下，至少该基材的表面应当仅由碳材料构成。例如，仅有基材的表面由碳材料构成，而基材的剩余部分可由碳材料以外的其他材料构成，或者整个基材可由碳材料构成。
在将石墨转化为金刚石的步骤中，优选在未添加烧结助剂或催化剂的情况下，在高温和高压压制装置中对石墨进行热处理。作为合成金刚石的条件，温度仅应设置为大约1200℃至2500℃，并且压力仅应设置为大约7GPa至25GPa。合成温度优选为不低于1900℃，合成压力优选为不低于12GPa。
在合成金刚石时，可以施加单轴压力或各向同性压力。从通过施加各向同性压力来实现相同的晶粒大小和相同的晶体各向异性度的角度来看，无论如何，优选在液体静压力下合成。
现在描述本发明另一类型的实施例。
实施例57
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.9%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为1%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数（turns）为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例58
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例59
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例60
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例61
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例62
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例63
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例64
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例65
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例66
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例67
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例68
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例69
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例70
在真空室里碳同位素12C的纯度为99.999质量%且化学纯度为99%质量的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有170GPa的努普硬度。
实施例71
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有205GPa的努普硬度。
实施例72
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例73
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例74
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有205GPa的努普硬度。
实施例75
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有205GPa的努普硬度。
实施例76
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例77
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例80
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例81
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例82
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例83
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例84
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例85
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例86
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例87
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例88
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例89
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例90
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例91
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例92
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例93
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例94
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例95
532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有198GPa的努普硬度。
实施例78
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有160GPa的努普硬度。
实施例79
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例96
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例97
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有150GPa的努普硬度。
实施例98
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有170GPa的努普硬度。
实施例99
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。因此，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。由此，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为4%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例100
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。由此，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为4%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例101
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2400℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。由此，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为4%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例102
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2500℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。由此，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为4%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有200GPa的努普硬度。
实施例103
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2000℃的温度和16GPa的压力的条件下，将以上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。。该多晶金刚石具有210GPa的努普硬度。
实施例104
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2100℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。由此，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为4%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有190GPa的努普硬度。
实施例105
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和16GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为3%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有198GPa的努普硬度。
实施例106
在真空室中，使碳同位素12C的纯度为99.999%且化学纯度为99.999质量%的甲烷气体通过加热至600℃的多孔钛，并将其吹到加热至1500℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为90托至100托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为1.6g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。SIMS分析的结果为：多晶金刚石中氮、氢、氧、硼、以及硅的含量不高于检出限。此外，在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过以300keV的加速能量照射大约1010/cm2的氮，从而在900℃下对该纳米多晶金刚石进行热处理。此后，测定由在此过程中产生的NV中心释放的637nm荧光的强度。从而，在微波照射下发射出532nm的激光作为激发光时，取决于磁场的有无，观察到最大为4%的荧光强度变化率，其中所述微波来自直径为0.5cm的环形线圈，该微波的频率为2.87GHz、匝数为5、并且输出为0.5W。该多晶金刚石具有180GPa的努普硬度。
在上面的例子中，可以确认，通过在大约2000℃至2500℃的温度和大约15至16GPa的压力下对石墨进行热处理，可以制造可用于磁感应的且具有高纯度和高硬度的、努普硬度大约为150GPa至205GPa的纳米多晶金刚石，其中该石墨由碳同位素12C的纯度不低于99.9质量%且化学纯度不低于99质量%的烃类气体热分解制得，该石墨为固态、堆密度为约1.6g/cm3至2.0g/cm3、并且纯度极高。然而，据认为，即使条件在上述范围以外，但在专利权利要求范围所描述的范围内就能制造具有相当性质的纳米多晶金刚石。
以下将参照图5描述本发明的又一类型的实施方式。
本实施方式中纳米多晶金刚石由任意的碳同位素12C和13C构成，并含有极小量的杂质。虽然纳米多晶金刚石通常包含多种不可避免的杂质，但是在本实施方式的纳米多晶金刚石中，每种杂质的浓度都均不高于0.01质量%。
如图5所示，本实施方式中纳米多晶金刚石1形成在基材2上。可以通过对基本上由碳同位素12C和13C构成并在基材2上形成的石墨10进行热处理来制造纳米多晶金刚石1。
由于本实施方式中纳米多晶金刚石基本上由任意的碳同位素12C和13C构成，可以有效地抑制声子的散射并且可以改善导热性。
石墨10是一体的固体碳并含有结晶化部分。在图5的例子中，虽然多晶金刚石1和石墨10具有类似平板的形状，但是其可以具有任何形状和厚度。在对形成在基材2上的石墨10进行热处理以制造纳米多晶金刚石1的情况下，纳米多晶金刚石1和石墨基本上具有相同的形状。
有利的是，石墨的堆密度为（例如）不低于0.8g/cm3。石墨的堆密度优选不低于1.4g/cm3。通过如此设定密度，能够使得因高温和高压过程中的压缩而造成的体积变化被抑制至较小的水平，并且不仅有助于温度控制，而且也能提高产率。
引入石墨中的杂质可以列举氮、氢、氧、硼、硅、促进晶粒生长的过渡金属等。在常规实例中，氮在晶界处大量沉淀，并且通常晶界处的浓度也有数百ppm。因此，晶粒趋向于在晶界处滑动。在晶界处氢通过sp2键合而稳定，因此降低了石墨的硬度。在由常规石墨制造的金刚石烧结体中，由于如上所述的石墨原材料是焦炭或沥青，因此尽管对其进行高纯化处理，也不可避免地在石墨中引入大约数百ppm的氢。氧易于与碳反应，而且其与硼形成氧化物并促进晶粒的局部生长。此外，氮和硼导致晶粒在晶界处滑动，这阻碍了硬度提高到本质硬度极限。
在用于制造本实施方式中的纳米多晶金刚石的石墨中，诸如氮、氢、氧、硼、硅、以及过渡金属之类的杂质含量为0.01质量%或更低。即，石墨中杂质的浓度近似不高于SIMS（二次离子质谱）分析的检出限。此外，石墨中过渡金属的浓度近似地不高于ICP（电感耦合等离子体）分析或SIMS分析的检出限。
因而，在石墨中的杂质量降低到SIMS分析或ICP分析的检出限的水平且金刚石由该石墨制成的情况下，能够制造非常高纯度和高硬度的金刚石。值得注意的是，即使在采用了包含稍微高于SIMS分析或ICP分析检出限的杂质的石墨时，也能获得具有显著优于常规实例的特性的金刚石。
在本实施方式的纳米多晶金刚石中，其整体上杂质的含量极低，未观察到如常规实例中的杂质偏析，并且在任何部分杂质浓度都极低。因此，在纳米多晶金刚石的晶界处的杂质浓度也不高于约0.01质量%。由于晶界处的杂质浓度如此之低，因此能够有效抑制晶界处声子的散射。此外，由于金刚石晶界处的杂质浓度极低，因此金刚石中的晶粒以接近单晶的状态键合，并且与常规多晶金刚石相比，声子向前移动的速度可接近单晶金刚石中的速度。
在本实施方式的纳米多晶金刚石包含（例如）氢、氧、氮、硅、以及硼作为杂质的情况下，在纳米多晶金刚石中，氢的浓度为不高于约2×1018/cm3；氧的浓度为不高于约2×1017/cm3；氮的浓度为不高于约4×1016/cm3；硅的浓度为不高于约1×1016/cm3；以及硼的浓度为不高于约2×1015/cm3。优选的是，在纳米多晶金刚石中，氢的浓度为不高于约5×1017/cm3；氧的浓度为不高于约1×1017/cm3；氮的浓度为不高于约1×1016/cm3；硅的浓度为不高于约5×1015/cm3；并且硼的浓度为不高于约7×1014/cm3。
在本实施方式的纳米多晶金刚石中，由于晶界处的杂质浓度极低，因此能够抑制晶界处的晶粒滑动。从而，与用常规CVD方法制造的多晶金刚石相比，可以加强晶粒之间的键合，也有助于声子更好地向前移动。而且，多晶金刚石也能具有高达约140GPa或更高的努普硬度。
此外，还可以有效地抑制金刚石合成过程中晶粒的异常生长，并且还能减小晶粒尺寸的波动。具体地，本实施方式中纳米多晶金刚石的晶粒尺寸（最大长度）不大于500nm。更具体地，纳米多晶金刚石的晶粒尺寸（最大长度）为约10nm至100nm。
现在描述本实施方式中制造纳米多晶金刚石的方法。
通过在高温和高压压制装置内对石墨进行热处理，从而将所述石墨转化为金刚石，由此制得本实施方式的纳米多晶金刚石，其中该石墨由烃类气体的热分解而获得，其中该烃类气体的碳同位素12C或13C的纯度不低于99.9质量%。即，根据本实施方式的纳米多晶金刚石可以通过在真空环境下对固相碳进行热处理来制造，其中该石墨基本上由任意的碳同位素12C和13C构成并且具有极低的杂质浓度。
可以在纳米多晶金刚石制造前，在真空室内制造上述石墨，或者可单独制备并储存预先形成在基材等上的石墨。
可通过将引入真空室中的碳同位素12C或13C纯度不低于99.9%的烃类气体在不低于1500℃且不高于3000℃的温度下进行热分解，从而在基材上形成石墨。这里，该真空室里的真空度优选设置为大约20托至150托。由此，可以直接由气相烃在基材上形成一体的结晶或多晶体固相石墨。而且，可以在基材上制得杂质的量极小的石墨。值得注意的是优选采用甲烷气体作为烃类气体。
在基材上制备石墨时，将设置在真空室中的基材加热到不低于1500℃的温度。可以采用众所周知的技术作为加热方法。例如，可以在真空室内设置这样一种加热器，该加热器能够直接或间接地将基材加热至不低于1500℃的温度。
可以使用任何固相材料作为用于制造石墨的基材，只要该材料能够经受住大约1500℃至3000℃的温度即可。特别地，可以用金属、无机陶瓷材料、或碳材料作为基材。从抑制将杂质引入石墨的角度考虑，基材优选由碳制成。作为固相碳材料，可以列举金刚石或石墨。在将石墨用作基材的情况下，可将通过上述技术制得的杂质量极低的石墨用作基材。在将诸如金刚石和石墨之类的碳材料用作基材的材料的情况下，至少该基材的表面应当仅由碳材料构成。例如，仅基材的表面由碳材料构成，而基材的剩余部分可由碳材料以外的其他材料构成，或者整个基材均由碳材料构成。
在将石墨转化为金刚石的步骤中，优选在未添加烧结助剂或催化剂的情况下，在高压压制装置中对所述石墨进行热处理。作为合成金刚石的条件，温度仅应设置为大约1200℃至2500℃，并且压力仅应设置为大约7GPa至25GPa。优选的是，合成温度不低于1900℃，合成压力不低于12GPa。
可施加单轴压力或各向同性压力以进行金刚石的合成。然而，从通过施加各向同性压力来实现相同的晶粒大小和相同的晶体各向异性度的角度来看，优选在液体静压力下进行合成。
现在描述本发明又一类型的实施例。
实施例107
在真空室中，将12C增至99.999%的甲烷气体吹到已加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
通过热扩散系数的测量来检验该纳米多晶金刚石的导热率，其导热率为具有当量粒径的天然碳的1.17倍（265W/mK）。此外，其努普硬度为130GPa。
实施例108
在真空室中，将13C增至99.999%的甲烷气体吹到已加热至1900℃的金刚石基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，将石墨沉积在金刚石基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2200℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。
该纳米多晶金刚石的导热率为具有当量粒径的天然碳的1.2倍（271W/mK）。此外，其努普硬度为130GPa。
实施例109
在真空室中，将12C纯度增至99.9%的甲烷气体吹到已加热至1900℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为200W/mK。此外，其努普硬度为150GPa。
实施例110
在真空室中，将12C纯度增至99.999%的甲烷气体吹到已加热至1900℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为200W/mK。此外，其努普硬度为190GPa。
实施例111
在真空室中，将12C纯度增至99.9%的甲烷气体吹到已加热至1600℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为1.4g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。在以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为200W/mK。此外，其努普硬度为150GPa。
实施例112
在真空室中，将12C纯度增至99.999%的甲烷气体吹到已加热至1900℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为1.4g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为250W/mK。此外，其努普硬度为190GPa。
实施例113
在真空室中，将12C纯度增至99.9%的甲烷气体吹到已加热至1700℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为100托至150托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为1.8g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为200W/mK。此外，其努普硬度为160GPa。
实施例114
在真空室中，将12C纯度增至99.999%的甲烷气体吹到已加热至1700℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为100托至150托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为1.8g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为220W/mK。此外，其努普硬度为185GPa。
实施例115
在真空室中，将13C纯度增至99.9%的甲烷气体吹到已加热至1900℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为250W/mK。此外，其努普硬度为150GPa。
实施例116
在真空室中，将13C纯度增至99.999%的甲烷气体吹到已加热至1900℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为2.0g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为200W/mK。此外，其努普硬度为190GPa。
实施例117
在真空室中，将13C纯度增至99.9%的甲烷气体吹到已加热至1600℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为1.4g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为300W/mK。此外，其努普硬度为150GPa。
实施例118
在真空室中，将13C纯度增至99.999%的甲烷气体吹到已加热至1600℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为20托至30托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为1.4g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为230W/mK。此外，其努普硬度为190GPa。
实施例119
在真空室中，将13C纯度增至99.9%的甲烷气体吹到已加热至1700℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为100托至150托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为1.8g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为300W/mK。此外，其努普硬度为160GPa。
实施例120
在真空室中，将13C纯度增至99.999%的甲烷气体吹到已加热至1700℃的Ta基底上。这里，真空室里的真空度设置为100托至150托。然后，石墨沉积在基底上。石墨的堆密度为1.8g/cm3。
在2300℃的温度和15GPa的压力的条件下，将如上石墨直接转化为多晶金刚石。该多晶金刚石具有大约10nm至100nm的晶粒尺寸。以上多晶金刚石的X射线衍射图案中，多晶金刚石中没有观察到金刚石以外的成分。该纳米多晶金刚石的导热率为200W/mK。此外，其努普硬度为185GPa。
在上面的例子中，可以确认，通过在大约2200℃至2300℃的温度和大约15GPa的压力下对石墨进行热处理，可以制造具有大约130GPa至190GPa的努普硬度、优异的热导性以及高纯度的纳米多晶金刚石，其中该石墨由12C或13C的纯度不低于99.9%的烃类气体的热分解制得，并且该石墨为固相，其堆密度为大约1.4g/cm3至2.0g/cm3并且具有极高的纯度。然而，据认为，即使条件在上述范围以外，但在专利权利要求范围所描述的范围内就能制造具有相当特性的纳米多晶金刚石。
虽然上面描述了本发明的实施方式和实施例，但是上述实施方式和实施例还可以进行各种更改。此外，本发明的范围并不局限于上述实施方式和实施例。本发明的范围由权利要求的条款限定，并且旨在包括在等同于权利要求条款的范围和含义内的任何修改。
Claims (27)
1.一种多晶金刚石，包含：
碳；以及
除了所述碳以外的多种杂质，
所述多晶金刚石的所述多种杂质中每种杂质的浓度均不高于0.01质量％，所述多晶金刚石的晶粒尺寸不大于500nm，且所述多晶金刚石具有不低于150GPa的努普硬度。
2.根据权利要求1所述的多晶金刚石，其中
位于所述多晶金刚石的晶界处的所述杂质的浓度均不高于0.01质量％。
3.根据权利要求1或2所述的多晶金刚石，其中
所述多种杂质包括氢、氧、氮、硅和硼，
所述氢的浓度不高于2×1018/cm3，
所述氧的浓度不高于2×1017/cm3，
所述氮的浓度不高于4×1016/cm3，
所述硅的浓度不高于1×1016/cm3，并且
所述硼的浓度不高于2×1015/cm3。
4.根据权利要求1或2所述的多晶金刚石，其通过烧结石墨而制造，该石墨是由纯度不低于99.99％的烃在不低于1500℃的温度下的热分解而获得的。
5.一种制造权利要求1所述的多晶金刚石的方法，包括以下步骤：
制备石墨，该石墨中杂质的浓度不高于0.01质量％；以及
通过对所述石墨施加超高压和高温从而将所述石墨转化为金刚石，其中
所述多晶金刚石具有不低于150GPa的努普硬度。
6.根据权利要求5所述的制造多晶金刚石的方法，其中
在将所述石墨转化为金刚石的所述步骤中，所述石墨是在未添加烧结助剂或催化剂的情况下通过高温和高压合成而转化为金刚石的。
7.根据权利要求5所述的制造多晶金刚石的方法，其中
所述制备石墨的步骤包括如下步骤：将引入真空室中的纯度不低于99.99％的烃类气体在不低于1500℃的温度下进行热分解，从而在基材上形成石墨。
8.根据权利要求7所述的制造多晶金刚石的方法，其中
在将所述石墨转化为金刚石的所述步骤中，在不低于7GPa的压力和1500℃或更高的温度下对形成于所述基材上的所述石墨进行热处理。
9.根据权利要求5至8中任意一项所述的制造多晶金刚石的方法，其中
所述杂质包括氢、氧、氮、硅和硼，
所述氢的浓度不高于2×1018/cm3，
所述氧的浓度不高于2×1017/cm3，
所述氮的浓度不高于4×1016/cm3，
所述硅的浓度不高于1×1016/cm3，并且
所述硼的浓度不高于2×1015/cm3。
10.一种多晶金刚石，包含：
碳，其中碳同位素12C的纯度不低于99.9质量％；以及
除了所述碳以外的多种杂质，
所述多晶金刚石的所述多种杂质中每种杂质的浓度均不高于0.01质量％，所述多晶金刚石的晶粒尺寸不大于500nm，且所述多晶金刚石具有不低于150GPa的努普硬度。
11.根据权利要求10所述的多晶金刚石，其中
位于所述多晶金刚石的晶界处的所述杂质的浓度均不高于0.01质量％。
12.根据权利要求10或11所述的多晶金刚石，其中
所述多种杂质包括氢、氧、氮、硅和硼，
所述氢的浓度不高于2×1018/cm3，
所述氧的浓度不高于2×1017/cm3，
所述氮的浓度不高于4×1016/cm3，
所述硅的浓度不高于1×1016/cm3，并且
所述硼的浓度不高于2×1015/cm3。
13.根据权利要求10或11所述的多晶金刚石，其通过烧结石墨而制造，该石墨是通过烃在不低于1500℃的温度下的热分解而获得的，其中该烃中所述碳同位素12C的纯度不低于99.9质量％。
14.一种制造权利要求10所述的多晶金刚石的方法，包括以下步骤：
制备石墨，该石墨由烃类气体的热分解而获得，其中该烃类气体的碳同位素12C的纯度不低于99.9质量％并且其化学纯度不低于99质量％；以及
通过在高温和高压压制装置内对所述石墨进行热处理，从而将所述石墨转化为金刚石，其中
所述多晶金刚石具有不低于150GPa的努普硬度。
15.根据权利要求14所述的制造多晶金刚石的方法，其中
在将所述石墨转化为金刚石的所述步骤中，在未添加烧结助剂或催化剂的情况下，在高压下对所述石墨进行热处理。
16.根据权利要求14或15所述的制造多晶金刚石的方法，其中
所述制备石墨的步骤包括如下步骤：将引入真空室中的所述烃类气体在不低于1500℃的温度下进行热分解，从而在基材上形成石墨。
17.根据权利要求16所述的制造多晶金刚石的方法，其中
在将所述石墨转化为金刚石的所述步骤中，在不低于7GPa的高压和1500℃或更高的温度下对形成于所述基材上的所述石墨进行热处理。
18.根据权利要求14或15所述的制造多晶金刚石的方法，其中
所述石墨的堆密度不低于1.4g/cm3。
19.一种多晶金刚石，包含：
碳，其由任意的碳同位素12C和13C构成；以及
除了所述碳以外的多种杂质，
所述多晶金刚石的所述多种杂质中每种杂质的浓度均不高于0.01质量％，所述多晶金刚石的晶粒尺寸不大于500nm，且所述多晶金刚石具有不低于140GPa的努普硬度。
20.根据权利要求19所述的多晶金刚石，其中
位于所述多晶金刚石的晶界处的所述杂质的浓度均不高于0.01质量％。
21.根据权利要求19或20所述的多晶金刚石，其中
所述多种杂质包括氢、氧、氮、硅和硼，
所述氢的浓度不高于2×1018/cm3，
所述氧的浓度不高于2×1017/cm3，
所述氮的浓度不高于4×1016/cm3，
所述硅的浓度不高于1×1016/cm3，并且
所述硼的浓度不高于2×1015/cm3。
22.根据权利要求19或20所述的多晶金刚石，其通过烧结石墨而制造，该石墨是通过烃在不低于1500℃的温度下的热分解而获得的，其中该烃中碳同位素12C或13C的纯度不低于99.9质量％。
23.一种制造权利要求19所述的多晶金刚石的方法，包括以下步骤：
制备石墨，该石墨由碳同位素12C或13C的纯度不低于99.9质量％的烃类气体的热分解而获得；以及
通过在高压压制装置内对所述石墨进行热处理，从而将所述石墨转化为金刚石，其中
所述多晶金刚石具有不低于140GPa的努普硬度。
24.根据权利要求23所述的制造多晶金刚石的方法，其中
在将所述石墨转化为金刚石的所述步骤中，在未添加烧结助剂或催化剂的情况下在所述高压压制装置内对所述石墨进行热处理。
25.根据权利要求23所述的制造多晶金刚石的方法，其中
所述制备石墨的步骤包括如下步骤：通过将引入真空室中的所述烃类气体在不低于1500℃的温度下进行热分解，从而在基材上形成石墨。
26.根据权利要求25所述的制造多晶金刚石的方法，其中
在将所述石墨转化为金刚石的所述步骤中，在不低于7GPa的高压和1500℃或更高的温度下对形成于所述基材上的所述石墨进行热处理。
27.根据权利要求23所述的制造多晶金刚石的方法，其中
所述石墨的堆密度不低于1.4g/cm3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |