CN107109690A - 单晶金刚石材料和包括所述金刚石材料的工具、辐射温度监测器和红外光学组件 - Google Patents

单晶金刚石材料和包括所述金刚石材料的工具、辐射温度监测器和红外光学组件 Download PDF

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Abstract

一种单晶金刚石材料，具有对于波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光的小于或等于15％的透过率，并且是根据光学评估的电绝缘体和根据电气评估的电绝缘体中的至少任何一个。光学评估的准则可以是波长为10.6μm光的透过率大于或等于1％的。电气评估的标准可以是平均电阻率大于或等于1×106Ωcm。因此，提供了在可见光区域的整个区域中具有低透过率且呈现黑色的单晶金刚石材料。

Description

单晶金刚石材料和包括所述金刚石材料的工具、辐射温度监 测器和红外光学组件
技术领域
本发明涉及适合用作黑体应用材料、热辐射温度监测材料、窗口材料、红外光学组件材料、热辐射基板(热沉)或工具的尖端的单晶金刚石材料，以及包括该单晶金刚石材料的工具、辐射温度检测器、和红外光学组件。
背景技术
通常，阻隔可见光区域中的光并透过在红外区域中的光的材料具有各种应用。尽管可以想到诸如彩色玻璃的各种材料，但在较高温度(例如，在真空或惰性气体中大于或等于约700℃且小于或等于约1200℃)下具有耐久性并且可以承受大量的热(或可承受快速的温度变化)的很少候选是已知的。作为能够承受高强度光并充分辐射热的材料，能举出金刚石材料。
然而，与金刚石材料一样在可见光区域具有光透过性的那些材料是常见的，并且它们不完全阻隔可见光区域中的光。如果存在阻隔可见光区域的光并透过红外区域的光的材料，可以将其用作真空中加热物体的温度测量的参考，以作为理想的黑体辐射的可见光区域温度监测芯片。如果材料是绝缘的，它也可以用在通电加热单元上。这样的材料也可以用作窗口，通过该窗口可以用红外光监测暗室的内部。这意味着旨在观察夜行动物的窗口的应用。这也允许在监测工具刃部的温度中测量温度。
金刚石具有高达5.5eV的带隙，并且通常被认为是透明的。然而，金刚石可以通过杂质的方式制成具有在特定波长处的吸收。如例如在Takashi TSUNO，Nobuhiro OTA，和Yoshiaki KUMAZAWA，Proceedings of 9th Diamond Symposium(第九届金刚石讨论会论文集)，p.61(NPD 1)、Robert Linares，Patrick Doering，Diamond and Related Materials(金刚石及相关材料)8(1999)p.909(NPD 2)以及国家专利公布No.2005-512929(PTD1)中所公开的，已知当金刚石掺杂有作为杂质的替位形式的氮时，在波长270nm附近的紫外区域发生光吸收。此外，如在国家专利公布No.2005-512929(PTD1)中所公开的那样，已知在约500nm至640nm的波长范围内发生吸收，这是由于作为杂质添加到金刚石中的氮与空位缺陷的关联。已知这样的吸收使金刚石为透明的黄色或透明的红色。
引用列表
专利文献
PTD 1：国家专利公布No.2005-512929
非专利文献
NPD 1：Takashi TSUNO，Nobuhiro OTA，和Yoshiaki KUMAZAWA，Proceedings of9th Diamond Symposium，p.61
NPD 2：Robert Linares，Patrick Doering，Diamond and Related Materials 8(1999)p.909
发明内容
技术问题
在上述情况下，由于只有具有特定波长的光被吸收，因此难以阻隔可见光区域的整个区域(例如，410nm-750nm)的光。此外，即使为了阻隔具有特定波长的光，也有必要混合大量的杂质。由于在金刚石中引入了大量的杂质导致了金刚石晶体结构的破裂，所以晶体不再能保持为金刚石。
另一方面，作为吸收在可见光区域的整个区域中的光的技术，可以想到以下方法。一种方法是加入硼作为杂质。众所周知，微量添加的硼用碳替位地掺杂，并使金刚石为蓝色。由于硼的原子半径与碳的原子半径相似，容易结合到金刚石中，所以当大量的硼掺入到金刚石中时，可见光区域的光被吸收和阻隔，并且吸收了光的金刚石变黑。然而，在这样的情况下，电流开始流动。所得到的低电阻不仅导致在可见光区域的整个区域中光的阻隔，而且导致红外区域中的光的吸收和阻隔。
另一种方法是通过形成多晶低质量的金刚石将石墨成分(SP2成分)掺入金刚石。这使得可以吸收和阻隔可见光区域中的光。由于金刚石中含有大量的石墨成分，因此直流电的电阻增大，而交流电阻降低，并且红外区域的光也被吸收和阻隔。通过离子注入吸收和阻隔可见光区域中的光的方法也导致类似的结果，因为在离子注入层中形成石墨成分(SP2成分)层。
鉴于以上，本发明的目的是解决上述问题，并且提供具有在可见区域的整个区域中的光的低透过率并且呈现黑色的金刚石，以及包括这样的单晶金刚石材料的工具、辐射温度检测器、和红外光学组件。
技术方案
根据本发明的一个方面的单晶金刚石材料具有波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光的小于或等于15％的透过率，并且是根据光学评估的电绝缘体和根据电气评估的电绝缘体中的至少任何一个。根据本发明的另一方面的工具包括根据上述方面的单晶金刚石材料。根据本发明的另一方面的辐射温度监测器包括根据上述方面的单晶金刚石材料。根据本发明的另一方面的红外光学组件包括根据上述方面的单晶金刚石材料。
本发明的有益效果
根据以上，可以提供具有在可见区域的整个区域中的光的低透过率并且呈现黑色的金刚石以及包括这样的单晶金刚石材料的工具、辐射温度监测器、和红外光学组件。
具体实施方式
<本发明的实施例的说明>
根据本发明的一个实施例的单晶金刚石材料对于波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光具有小于或等于15％的光透过率，并且是根据光学评估的电绝缘体和根据电气评估的电绝缘体中的至少一个。在本实施例的单晶金刚石材料中，光的透过率指代当在单晶金刚石材料中任意指定的基本上平坦(由JIS B0601：2013定义的表面的算术平均粗糙度Ra小于或等于2nm)和平行(平行度小于或等于0.1°)的两个平面被定义为主面时，不管光的波长如何，基本上垂直于(与垂直方向的偏离角小于或等于0.1°)一个主面入射并且从另一个主面出射的光的透过率，换言之，光的透过率指代当通过加工而形成具有小于或等于0.1°的平行度的这些主面时，以相对于垂直于一个主面的方向的小于或等于0.1°的偏离角入射并且从另一个主面出射的光的透过率。根据光学评估的电绝缘体指代以光学方式来评估的电绝缘体(基本上不导电的物体)，并且根据光学评估的电绝缘体优选指代具有大于或等于1％的10.6μm的波长的光的透过率的物体。根据电气评估的电绝缘体指代以电气方式来评估的电绝缘体(基本上不导电的物体)，并且根据电气评估的电绝缘体优选指代具有大于或等于1×106Ωcm的平均电阻率的物体。换言之，这意味着本实施例的单晶金刚石材料完全是电绝缘体，并且在基本上用于使用目的的情况下，在表面或内部的一部分中不具有导电层。由于本实施例的单晶金刚石材料对于波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光的具有小于或等于15％的透过率，并且是光学或电气上的绝缘体，所以它具有深黑色调和绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，光学评估的准则可以是波长为10.6μm的光的大于或等于1％的透过率。由于这样的单晶金刚石材料具有波长为10.6μm的光的大于或等于1％的透过率，因此其具有深黑色色调和对于红外光的透过性，即光学绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，电气评估的标准可以是大于或等于1×106Ωcm的平均电阻率。本实施例的单晶金刚石材料的平均电阻率指代当通过使用钛蒸镀电极使得电流在50V的电压下在25℃下流动时根据电压、电流、钛蒸镀电极的面积、以及在主面之间的距离计算的平均电阻率。这样的单晶金刚石材料具有深黑色色调和电绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光的透过率可以小于或等于3％。结果，这样的单晶金刚石具有乌黑色调和绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，总氮浓度可以大于或等于孤立替位氮浓度的8倍。通过二次离子质谱(SIMS)测量总氮浓度，并且通过电子自旋共振(ESR)分析测量孤立替位氮浓度。因此，这样的单晶金刚石具有深黑色调和绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，总氮浓度可以大于或等于1ppm。因此，这样的单晶金刚石具有深黑色调和绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，通过从总氮浓度中减去孤立替位氮浓度计算的非替位氮浓度可以大于或等于0.875ppm。这里，非替位氮浓度是通过从由SIMS测量的总氮浓度中减去由ESR测量的孤立替位氮而获得的值。此外，可以使空位浓度高于非替位氮浓度的0.1倍。结果，这样的单晶金刚石能够含有大量的氮原子，而不会导致晶体破裂或碎裂，并且具有深黑色调和绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，可以使空位浓度比孤立替位氮浓度、非替位氮浓度、总氮浓度和1ppm中的至少任一个更高。通过基于利用离子注入技术的定量和测量的正电子湮灭来确定空位浓度。替选地，辅助地使用由ESR测量的与杂质结合的空位的浓度。结果，这样的单晶金刚石能够含有大量的氮原子，而不会导致晶体破裂或碎裂，并且具有深黑色调和绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，选自由镁、铝、硅、磷和硫组成的组中的至少一个杂质元素的总杂质元素浓度可以大于或等于50ppb。通过SIMS测量总杂质元素浓度。结果，这样的单晶金刚石能够含有大量的氮，并且具有深黑色调和绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，选自由镁、铝、硅、磷和硫组成的组中的至少一个杂质元素的总杂质元素浓度可以大于或等于杂质元素的总替位杂质元素浓度的8倍。通过SIMS测量总杂质元素浓度，并通过ESR测量总替位杂质元素浓度。结果，这样的单晶金刚石材料具有深黑色调和绝缘性质。
在本实施例的单晶金刚石材料中，总硼浓度可以小于或等于总氮浓度。通过SIMS测量总硼浓度和总氮浓度。这样的单晶金刚石能够含有大量的氮而不被赋予导电性，并且具有深黑色调和绝缘性质。
根据本发明另一实施例的工具包括前述实施例的单晶金刚石材料。因此，本实施例的工具可以是在工具的制造和使用期间不太可能被切削的工具。
根据本发明又一实施例的辐射温度监测器包括前述实施例的单晶金刚石材料。因此，本实施例的辐射温度检测器更接近黑体辐射，并且能够评估真实的温度。
根据本发明又一实施例的红外光学组件包括上述实施例的单晶金刚石材料。因此，本实施例的红外光学组件伴随着可见光的极少的泄漏，并且能够充分地感测红外光。
[本发明的实施例的细节]
在本实施例的单晶金刚石材料中，波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光的透过率小于或等于15％，优选小于或等于10％，更优选小于或等于8％。此外，本实施例的单晶金刚石材料是根据光学评估的电绝缘体和根据电气评估的电绝缘体中的至少一种。在本实施例的单晶金刚石中，由于波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光的透过率小于或等于15％，并且单晶金刚石是根据光学评估和电学评估中的至少一个的电绝缘体，因此单晶金刚石具有深黑色调和绝缘性质。
本实施例的单晶金刚石材料的光的透过率由于光的路径重要而通过指定光的路径来以如下方式来定义。单晶金刚石材料的光的透过率指代当在单晶金刚石材料中任意指定的基本上平坦(由JIS B0601：2013定义的表面的算术平均粗糙度Ra小于或等于2nm)和平行(平行度小于或等于0.1°)的两个平面被定义为主面时，不管光的波长如何，基本上垂直于(与垂直方向的偏离角小于或等于0.1°)一个主面入射并且从另一个主面出射的光的透过率，换言之，光的透过率指代当通过加工而形成具有小于或等于2nm的表面的算术平均粗糙度Ra和小于或等于0.1°的平行度的这些主面时，以相对于垂直于一个主面的方向的小于或等于0.1°的偏离角入射并且从另一个主面出射的光的透过率。根据光学评估的电绝缘体指代以光学方式来评估的电绝缘体(基本上不导电的物体)，并且是下述物体：对于其而言，红外区域的10.6μm的波长的透过率能够证实不为零，并且优选具有大于或等于1％的波长为10.6μm的光的透过率。根据电气评估的电绝缘体指代以电气方式评估的电绝缘体(基本上不进行导电的物体)，并且是下述物体：对于其而言，平均电阻率可以证实不为零，并且优选具有大于或等于1×106Ωcm的平均电阻率。本实施例的单晶金刚石材料的平均电阻率指代：当通过使用钛蒸镀电极使得电流在50V的电压下在25℃下流动时，根据电压、电流、钛蒸镀电极的面积、和在主面之间的距离来计算的平均电阻率。
由于本实施例的单晶金刚石材料具有在可见光区域的大于或等于410nm且小于等于750nm的光的低透过率，并且是光学上或电气上中至少一者的绝缘体，可以在监测温度时实现理想黑体辐射，并且可以使得要加热的物体进入绝缘状态。所得到的材料不仅仅是烟灰样的黑体，并且不是金属的，但是能够具有带深度和立体效果的纹理。本实施例的单晶金刚石材料的黑体不源自碳的SP2键，而是由碳的SP3键形成的纯金刚石，其不再容易在高温下破裂或碎裂。
当人的视感度因子高的530nm波长的光的透过率小于或等于20％时，实现了具有黑色色调的金刚石(以下也称为黑色金刚石)，然而，其在阻隔光线方面不足。当在可见光区域(波长大于或等于410nm且小于或等于750nm)的整个区域中的光的透过率小于或等于15％，优选小于或等于10％，更优选小于或等于8％时，获得具有深黑色调的金刚石(以下也称为深黑色金刚石)。由于金刚石的反射率通常为约30％，所以当光的透过率小于或等于反射率的1/2、优选小于或等于反射率的1/3、更优选小于或等于反射率的约1/4时，获得深黑色调，并且对光的通过吸收而作出的阻隔就足够了。
根据对单晶金刚石材料的透过率的前述定义，对于其中两个主面平坦(表面的算术平均粗糙度Ra小于或等于2nm)和平行(平行度小于或等于0.1°)的平板形式的材料，光可以基本上垂直于一个主面入射(与垂直方向的偏离角小于或等于0.1°)。对于不是平板的形式或者其中没有彼此相对并且平坦(表面的算术平均粗糙度Ra小于或等于2nm)和平行(平行度小于或等于0.1°)的表面的材料，可以使如上所述的相对的平坦和平行表面在估计的最接近的位置处，并且光可以基本上垂直于平坦表面和平行表面中的一个入射。这是因为如果估计的最近位置落在本发明中限定的范围内，则大多数其他位置落入本发明限定的范围内。精确地，通过激光形状测量设备测量形状，并且如果大于或等于整体的70％(这指示高于68％的、大于或等于70％的情况，因为落在正态分布中的标准偏差±σ内的测量点占整体的68％)在距离分布中显示比测量点更长的距离，则该部分可以被替位。这是因为大部分可见的部分都落在70％的范围内。
当相对的平行表面无法暴露时，换言之，当无法形成相对的平坦和平行表面时(例如，在因为材料的贵重不允许破坏的情况下)，通过积分球反射和散射测量设备来测量反射和散射，并且通过在保持相同的光学入射的情况下使用激光色度计来通过温度的增高来测量吸收的光的量，并且从入射光中减去反射光和吸收的光，并且由此可以测量透过率。为了防止测量取决于单晶金刚石材料的形状而成为特殊值，可以随机变化的入射方向进行五次测量，并且可以将测量的平均值用作透过率。
通过使用分光光度计扫描在410nm和750nm之间的波长可以测量波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的光的透过率。当用激光进行测量时，与至少3mm直径相对应的区域作为相对的平坦和平行表面就足够了。
光的透过率T指代透射光的强度I1相对于入射光的强度I0的百分比，并且由下式(1)定义：
T(％)＝I1/I0×100...(1)
由上述公式(1)定义的透过率严格考虑了平行(平行度小于或等于0.1％)主面上的反射率和多重反射，并且总透过率T由下面的公式(2)使用在空气与单晶金刚石材料之间的界面上的反射率R1和透过率T1表示：
T＝T1 2·exp(-αD)/(1-R1 2·exp(-αD))...(2)
其中，α表示吸收系数(单位：cm-1)，并且D表示平行主面之间的距离(单位：cm-1)。
在上式(2)中，反射率R1和透过率T1由下式(3)和(4)表示，设单晶金刚石材料的折射率为n1，并且空气的折射率为n0：
R1＝(n0-n1)2/(n0+n1)2...(3)
T1＝4n0n1/(n0+n1)2...(4)
其中，通过向公式(2)代入通过设单晶金刚石材料的折射率n1为2.4并且空气的折射率n0为1.0来计算的反射率R1和透过率T1的值得到的总透过率T在透明(当近似为α＝0时)的情况下约71％，这与实际测量一致的。
另一方面，由于本实施例的单晶金刚石材料的情况是吸收系数α大的情况，并且式(2)的右侧的分母的项是与1渐近的，所以透过率是可以由下式(5)表示的域：
T＝T1 2·exp(-αD)...(5)
利用公式pav＝(V0/I0)·(S/D)，根据电压V0、电流I0、钛蒸镀电极的面积S和平行主面之间的距离D(平行度小于或等于0.1°)来计算单晶金刚石材料的平均电阻率ρav。这里，当V0为50V且D为0.5mm时，测量ρav。当测量无法用0.5mm的D进行时(当板的厚度不足时，或者当厚度太大而不能抛光板时)，可以测量当施加与100V/mm的电场相对应的电压时的电流。从确保绝缘性质的角度来看，平均电阻率大于或等于1×106Ωcm，优选大于或等于1×109Ωcm，更优选大于或等于1×1012Ωcm。具有较高平均电阻率的单晶金刚石材料是优选的，因为即使微弱的光也不太可能被反射。
在本实施例的单晶金刚石材料中，从具有乌黑色色调和绝缘属性的角度来看，波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光的透过率优选小于或等于3％，更优选小于或等于1.5％，进一步优选小于或等于1％。当光的透过率在可见光区域的整个区域(波长大于或等于410nm且小于或等于750nm)小于或等于3％、小于或等于1.5％、进一步小于或等于1％时，获得如同涂覆黑色日本漆的具有乌黑色调的金刚石(以下也称为乌黑色金刚石)。由于金刚石的反射率通常为约30％，所以当光的透过率小于或等于反射率的1/10、小于或等于反射率的1/20、进一步小于或等于反射率的1/30时，获得乌黑黑色调并且对光的通过吸收而实现的阻隔是足够的。
在本实施例的单晶金刚石材料中，从具有深黑色调、绝缘性、和红外光的透射性的角度来看，绝缘体的一个指标是：基本垂直入射一个主面并从另一个主面出射的波长为10.6μm的光的透过率大于或等于1％。然而，当该材料用作远红外线的窗口时，10.6μm的波长的透过率优选大于或等于10％，优选大于或等于40％，更优选大于或等于50％，以便获得作为窗口的功能。另一方面，当该材料用作近红外线的窗口时，波长为1至2μm的光的透过率优选为大于或等于10％，更优选为大于或等于40％，进一步优选大于或等于50％。这里，测量红外的透过率的方法与上述测量可见光区域的光的透过率的方法相同。10.6μm的波长的远红外光从在具有10.6μm的振荡波长的二氧化碳激光器中在身边经常使用的角度看是红外光的指标。作为波长为1-2μm的近红外光，可以使用振荡波长为1.06μm的YAG激光器和4-6μm的量子级联激光器的第二和第三谐波。
在本实施例的单晶金刚石材料中，从具有深黑色调、绝缘性、和红外光透射性的角度看，总氮浓度可以为孤立替位氮浓度的大于或等于8倍、优选地大于或等于10倍、更优选大于或等于20倍、还更优选大于或等于50倍、进一步优选大于或等于100倍。通过二次离子质谱(SIMS)测量总氮浓度，并且通过电子自旋共振(ESR)分析测量孤立替位氮浓度。
为了得到深黑色金刚石——优选地与本实施例的单晶金刚石材料相同的乌黑色金刚石，需要在金刚石中掺入大量的杂质。然而，当金刚石掺杂过多的杂质时，金刚石的晶格被破坏，并且由于形成SP2键，金刚石的至少一部分变成石墨。为此，需要保持平衡，使得金刚石的晶格松弛但不会被破坏，同时金刚石中含有大量的杂质。为此，首先，必须掺入氮。
然而，当孤立替位形式的氮被掺入到金刚石中时，金刚石就像高压合成的金刚石一样，仅仅变成黄色的透明单晶，并且大于或等于410nm且小于或等于750nm的整个可见光区的光的透过率不降低。因此，孤立替位氮原子的含量被控制得尽可能小，并且除了孤立替位形式之外的形式(例如，填隙形式)的非替位氮原子的含量增加。这里，非替位氮原子指代在由碳原子构成的金刚石晶格位置中未被分离地替位的氮原子，并且对应于通过从由SIMS测量的总氮原子中减去由ESR测量的孤立替位氮原子而获得的氮原子。由于当非替位氮原子位于填隙位置等时晶体晶格将被约束和断开，所以保持着留有空位的平衡。以这种方式，可以将大量超过预期的氮掺入金刚石中。这意味着孤立替位氮原子、非替位氮原子、总氮原子、和空位被允许以平衡的方式存在于金刚石中。
在孤立替位氮原子之间保持平衡所需的孤立替位氮浓度NS、非替位氮浓度NN、总氮浓度Nall、和空位浓度V之间的关系优选为8×NS≤Nall、7×NS≤NN、NN≤Nall、0.875ppm≤NN、和/或1ppm≤Nall、更优选10×NS≤Nall、9×NS≤NN、NN≤Nall、4.50ppm≤NN、和/或5ppm≤Nall，还更优选13×NS≤Nall、12×NS≤NN、NN≤Nall、7.38ppm≤NN、和/或8ppm≤Nall，进一步优选为20×NS≤Nall、19×NS≤NN、NN≤Nall、9.50ppm≤NN、和/或10ppm≤Nall，进一步优选为50×NS≤Nall、49×NS≤NN、NN≤Nall、19.6ppm≤NN、和/或20ppm≤Nall，，特别优选100×NS≤Nall、99×NS≤NN、NN≤Na1l、29.7ppm≤NN、和/或30ppm≤Nall。优选Nall≤1000ppm。这是因为氮含量过高使得难以将碳晶格保持正常。
这里，关于空位浓度V，优选V≤1000×Nall，更优选V≤100×Nall。这是因为如果V＞1000×Nall，则只有空位数目增加并且晶体变脆。此外，优选NS＜V，并且优选10×NS＜V。这是因为如果NS≥V，整个晶体紧密，并且非替位氮原子和孤立替位原子中的大部分被约束，并且晶体很容易在单晶金刚石材料中破碎。此外，优选0.1×NN＜V，并且更优选NN＜V。这是因为如果NS＜V≤NN，则非替位氮原子和孤立替位原子中的一部分被约束，并且晶体容易在单晶金刚石材料中碎裂。此外，优选0.1×Nall＜V，更优选Nall＜V。这是因为如果NN＜V≤Nall，则非替位氮原子和孤立替位原子中的小部分被约束，并且晶体有时容易在单晶金刚石材料中碎裂。此外，优选V＞1ppm，并且更优选V＞5ppm。这是因为如果V≤1ppm，则整个晶体紧密，并且非替位的氮原子和孤立替位原子中的至少一部分被约束，并且晶体容易碎裂。通过基于利用离子注入技术的定量和测量的正电子湮灭来确定空位浓度。或者，通过辅助使用由ESR测量的与杂质结合的空位的浓度来估计下限空位浓度。
空位有时单独存在，因为它不会大大扭曲金刚石的晶体晶格。在高甲烷浓度的条件下，通过在单晶金刚石材料的生长表面上引入缺陷，可将处于不同于孤立单替位形式的形式氮掺入金刚石中。虽然缺陷包括诸如位错的晶体缺陷，表面的不均匀性和抛光损伤也具有影响，并且这些也包括在缺陷中。通过将氮气(N2)引入合成环境来将氮引入单晶金刚石中。气体不限于氮气，还可以是含氮气体，诸如氨气(NH3)和一氧化二氮气体(N2O)。
在本实施例的单晶金刚石材料中，从具有深黑色色调、优选乌黑色调、绝缘性和红外光的透射性的角度看，非替位氮浓度优选大于或等于0.875ppm，更优选大于或等于4.50ppm，还更优选大于或等于7.38ppm，进一步优选大于或等于9.50ppm，进一步优选大于或等于19.6ppm，特别优选大于或等于29.7ppm。这是因为空位和非替位氮二者也在本发明中发挥作用，并且优选以一定量或更多含有，并且它们有助于在它们平衡的同时保持晶格并降低可见光域的透过率。即使通过照射形成空位，碳原子也必须从晶格位置排出，并且只有SP2键增加，并且因此不能获得本实施例的单晶金刚石材料。
在本实施例的单晶金刚石材料中，从具有深黑色调——优选乌黑色调、绝缘性和红外光的透射性的角度看，当总氮浓度大于或等于孤立替位氮浓度的8倍时总氮浓度优选大于或者等于1ppm，当总氮浓度大于或等于孤立替位氮浓度的10倍时，总氮浓度更优选大于或等于5ppm，当总氮浓度大于或等于孤立替位氮浓度的13倍时，总氮浓度更优选大于或等于8ppm，当总氮浓度大于或等于孤立替位氮浓度的20倍时总氮浓度进一步优选大于或等于10ppm，当总氮浓度大于或等于孤立替位氮浓度的50倍时，总氮浓度进一步优选大于或等于20ppm，并且当总氮浓度大于或等于孤立替位氮浓度的100倍时，总氮浓度特别优选大于或等于30ppm。
在本实施例的单晶金刚石材料中，从能够含有大量氮，具有深黑色调、绝缘性和红外光的透射性的角度看，选自由镁(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、磷(P)和硫(S)组成的组的至少一种杂质元素的总杂质浓度优选大于或等于50ppb，更优选大于或等于1ppm，还更优选大于或等于5ppm，进一步优选大于或等于10ppm。通过SIMS测量杂质元素的总杂质浓度。
作为将大量氮掺入到单晶金刚石材料中的另一种方法，存在将除了氮(N)以外的诸如硅(Si)、磷(P)、铝(Al)、镁(Mg)、和/或硫(S)的杂质元素连同氮(N)掺杂在一起的方法。也就是说，将硅等代替空位掺入(以实现硅等存在于空位中的状态)，并且即使在材料中含有更大量的氮时，也可以保持平衡。替选地，选择这些杂质元素中的至少两种并将其掺入材料中。设Si、P、Al、Mg和S的浓度分别为CSi、CP、CAl、CMg和CS，杂质元素的总氮浓度Nall和总杂质元素浓度之和优选为1ppm＜(Nall+CSi+CP+CAl+CMg+CS)＜1000ppm，更优选1ppm＜(Nall+CSi+CP+CAl+CMg+CS)＜100ppm。
在本实施例的单晶金刚石材料中，即使不含有氮原子，只要总杂质元素浓度在上述范围内即可实现同样的效果。换言之，在本实施例的单晶金刚石材料中，从具有深黑色色调、绝缘性和红外光的透射性的角度看，选自由(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、磷(P)和硫(S)组成的组的至少一种杂质元素的总杂质元素浓度优选大于或等于50ppb，更优选大于或等于1ppm，更优选大于或等于5ppm，进一步优选大于或等于10ppm。设Si、P、Al、Mg和S的浓度分别为CSi、CP、CAl、CMg和CS，优选1ppm＜(Nall+CSi+CP+CAl+CMg+CS)＜1000ppm，更优选1ppm＜(Nall+CSi+CP+CAl+CMg+CS)＜100ppm。
也对于除氮以外的杂质元素，即从(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、磷(P)和硫(S)组成的组中选择的至少一种杂质元素，总杂质元素浓度优选大于或等于总替位杂质元素浓度的8倍，更优选大于或等于其10倍，还更优选大于或等于其20倍，特别优选大于或等于其50倍。通过SIMS测量杂质元素的总杂质浓度，并通过ESR测量杂质元素的总替位杂质元素浓度。
当添加上述杂质时，重要的是含有表面缺陷和晶体缺陷，并且晶体缺陷自然地易于引入到原子半径大于碳的元素中。虽然这些杂质可以以诸如SH4、PH3、或Al(CH3)3的气体的形式提供，但是在基板附近设置诸如Si、P2O5(或InP)或Al的固体源是方便的。如果将固体源设置在距离基板小于或等于10cm的距离处，则可以将杂质充分地引入到单晶金刚石中。当复合地引入杂质时，也可以使用诸如重P掺杂的Si或AlP的固体源。
将大量氮掺入到单晶金刚石中的另一种方法是将硼(B)作为氮(N)以外的杂质与氮(N)一起掺入的方法。由于硼的原子半径与碳的原子半径相似，其容易引入晶格位置。此外，当硼与氮一起引入时，其大量包含在金刚石中。如果在硼浓度CB和氮浓度CN满足CB＞CN的条件下引入硼和氮，则赋予导电性。因此，有必要采用满足CB≤CN的条件。在这样的条件下，如果硼以替位形式引入，则总氮或空位大部分补偿载流子，并且载流子无法再移动，使得金刚石变成绝缘的。此外，大多数硼以非替位形式引入，使得金刚石变成绝缘的。可以从诸如B2H6、(CH3)3B和B(OCH3)3的来源引入硼。当硼与其他杂质复合引入时，也可以使用固体源，诸如BP或重B掺杂的Si。
此外，当以上述比率引入硼和氮时，通过二次离子质谱法测量的选自杂质元素(即镁、铝、硅、磷和硫)的组中的至少一种的总杂质元素浓度为优选大于或等于50ppb，更优选大于或等于1ppm，还更优选大于或等于5ppm，特别优选大于或等于10ppm。
在本实施例的单晶金刚石材料中，期望将大量杂质混合在单晶中，并制备“深黑金刚石”或“乌黑金刚石”。然而，混合大量的杂质导致单晶中的长距离秩序的劣化或损失，并且无法形成厚晶体。虽然单晶中的短距离秩序的劣化或损失仅导致局部缺陷的发生，并且可以整体修复单晶，但是晶体缺陷(空位和填隙杂质等)的延伸和增加导致单晶中的长距离秩序的劣化或损失，并且使晶体非晶或多晶，或引起晶体碎裂的发生。在非晶材料中，强制包含杂质。在多晶体中，杂质很可能包含在晶粒边界中。可以通过以替位形式混合来实现在保持结晶性的同时混合大量杂质的方法。然而，该方法不能使整个可见光区域的透过率小，并且具有出现导电性的问题。利用本实施例的单晶金刚石材料，可以通过在干扰局部晶体(导入空位)的同时成功地混合杂质而不发生导电来实现黑体辐射和红外窗口的特性。
当本实施例的单晶金刚石材料用作红外窗口的红外光学组件材料或用于监测辐射温度的材料——诸如用于监测辐射温度的黑体时，材料的薄度对于板材有益。材料的厚度优选小于或等于5mm，更优选小于或等于3mm，进一步优选小于或等于2mm，特别优选小于或等于1.2mm。在利用不需要考虑厚度的色调的应用的情况下，其它厚度将适用。
(单晶金刚石材料的制造方法)
1.种基板的制备
首先，作为单晶金刚石材料的种基板，制备单晶金刚石种基板。作为种基板，制备板状的天然单晶金刚石、高压合成单晶金刚石、或气相合成单晶金刚石等。例如，可以制备高压合成单晶金刚石的6mm2或8mm2的种基板。在气相合成单晶金刚石的情况下，也可以制备其中将多个单晶结合在一起的马赛克图案的单晶金刚石种基板。尺寸可以大于或等于16mm2。具有马赛克图案的晶体也被称为单晶，因为各个单晶在0.5°内的平面方向的范围内对准，并且该晶体被认为是广义上的单晶。
将种基板机械抛光成平坦的。诸如种基板的位错的晶体缺陷的浓度优选大于或等于1000缺陷/mm2。当晶体缺陷的密度较小时，制备具有5nm-100nm的表面的算术平均粗糙度Ra(这表示由JIS B0601：2013定义的算术平均粗糙度Ra，以下相同)的特殊基板(由高负荷抛光形成的粗糙表面基板)。这里，高负荷抛光指代在通常的抛光条件下大于或等于1.5倍的高负荷下的抛光，高负荷抛光不仅使表面发生粗糙化，而且导致靠近金刚石表面的晶体的损伤增加。这使得比通常容易引入非替位杂质和空位。为了实现高负荷抛光，需要抑制抛光设备的振动，因为抛光机的轴等在负载的影响下容易振荡。优选地，制备具有由JISB0601：2013定义的表面的算术平均粗糙度Ra为10nm至30nm的种基板。替选地，可以制备具有通过每100μm给出一个沟槽而形成的生长阶梯的基板(阶梯基板)。作为阶梯基板，具有的偏离角优选大于或等于1°并且小于或等于15°，更优选大于或等于3°且小于或等于10°，优选地为大于或等于5°并且小于或等于8°。这是因为如果偏离角小得达到小于1°，则消除了阶梯，并且无法形成具有粗糙表面的种基板。尽管用于允许除本发明之外的普通单晶金刚石材料的外延生长的种基板的正常表面优选地具有小于3nm的表面的算术平均粗糙度Ra，但是在本发明中重要的是使用通过控制缺陷和表面状态来具有适合于本发明的表面的种基板，而不使用具有正常表面的上述种基板。
2.单晶金刚石材料的生长
在种基板上，通过CVD(化学气相沉积)方法允许单晶金刚石材料外延生长。作为CVD法，可以使用热丝CVD法、微波等离子体CVD法、DC等离子体CVD法、和直流电弧放电等离子体CVD法等。其中，微波等离子体CVD法和DC等离子体CVD法是优选的，因为他们可以容易控制杂质。
在通过微波等离子体CVD方法的单晶金刚石材料的外延生长中，可以以以下方式允许单晶金刚石材料外延生长：通过将氢气、甲烷气体、和氮气引入合成炉中作为源气体将炉内的压力保持在大于或等于4kPa而小于或等于53.2kPa，并且通过在电力为100W至60kW下输入频率为2.45GHz(±50MHz)或915MHz(±50MHz)的微波来致使等离子体发生，以使活性种沉积在种基板上。
炉内的压力优选大于或等于4kPa，并且小于或等于53.2kPa，更优选大于或等于8kPa且小于或等于40kPa，进一步优选大于或等于10kPa小于或等于20kPa。如果炉内的压力小于4kPa，则生长所需的时间可以增加，或者多晶体很可能生长。另一方面，如果炉内的压力超过53.2kPa，则放电可能不稳定，或在生长期间集中在一个位置，并且长时间的生长变得困难。
种基板的温度优选为大于或等于800℃且小于或等于1300℃，更优选大于或等于900℃且小于或等于1100℃。如果基板的温度低于800℃，则生长所需的时间延长。另一方面，如果基板的温度超过1300℃，则石墨很可能生长。
在允许单晶金刚石材料生长的气相中，甲烷气体浓度与氢气浓度的比优选为大于或等于7％且小于或等于30％，并且氮气浓度与甲烷气体浓度的比优选为大于或等于0.1％且小于或等于10％。其结果是，可以得到单晶金刚石材料，其中单晶金刚石中的孤立替位氮原子数目与单晶金刚石中的总氮原子数穆之比大于或等于0.1％且小于或等于20％，并且结合使用具有5nm至100nm的表面的算术平均粗糙度Ra的特殊种基板(通过高负荷抛光形成的粗糙表面种基板)的效果。此外，可以获得单晶金刚石，其中单晶金刚石材料中的总氮原子浓度大于或等于0.5ppm且小于或等于100ppm，并且孤立替位氮的浓度原子大于或等于30ppb且小于或等于5ppm。甲烷气体浓度与氢气浓度的比更优选为大于或等于10％且小于或等于25％，进一步优选为大于或等于16％且小于或等于25％。氮气浓度与甲烷气体浓度的比更优选大于或等于0.5％且小于或等于10％，进一步优选大于或等于1％且小于或等于10％。优选氮气浓度Cn(％)和甲烷气体浓度Cc(％)满足下式(6)的关系：
A+B×log10Cn＝Cc...(6)
其中，10≤A≤20并且2≤B≤7。
在氮气浓度Cn(％)甲烷气体浓度Cc(％)满足上式的关系的同时，允许单晶金刚石材料在具有5nm至100nm的表面的算术平均粗糙度Ra的特殊种基板(通过高负荷抛光形成的粗糙表面种基板)上生长。以这样的方式获得的单晶金刚石材料的可见光区域的透过率小于或等于15％，并且在保持单晶金刚石材料的硬度的同时具有改善的耐碎裂性。
此外，当添加另一种杂质时，将固体小片设置在单晶基板附近，并暴露于微波等离子体，并且因此杂质混入合成气环境中并进行掺杂。当杂质为硅时，作为半导体的石英或硅可以列举为固体，当杂质为铝时，单晶蓝宝石或多晶氧化铝可以列举为固体。
在单晶金刚石材料的外延生长中，从生长厚单晶金刚石材料的角度看，优选在条件α下重复继续生长的循环，其中大量的杂质(例如，氮气)被导入一定时间直到达到一定厚度DA，然后在条件β下继续生长，其中每个杂质(包括氮)被排除另一一定时间，直到达到某一厚度DB，并且然后允许在原始条件α下的生长。结果，获得了由于大量杂质而保持大的吸收系数并且具有大的厚度的单晶金刚石材料。
在单晶金刚石材料的外延生长中，DA和DB之间的优选关系是：
当10ppm≤Nall时，DA≤0.5mm并且0.008mm≤DB
当5ppm≤Nall＜10ppm时，DA≤0.8mm并且0.005mm≤DB，并且
当1ppm≤Nall＜5ppm时，DA≤1.2mm并且0.003mm≤DB。
Nall代表总氮量。DB优选尽可能小，但如果它小于上述条件，则不可能返回到原始状态，并且不能获得令人满意的结果。如果DA大于上述条件，则石墨成分突然增加。
最终通过重复生长形成的金刚石材料的厚度Dtotal由式(7)表示：
Dtotal＝n×(DA+DB)...(7)
这里，n是重复的循环次数。通过增加重复次数，可以增加厚度，并且可以降低透过率。如果Nall小于1ppm，则为了实现本发明的黑色，需要不可实现的厚度。
3.单晶金刚石材料与种基板的分离
然后，将外延生长的单晶金刚石与种基板分离，以得到单晶金刚石材料。例如，作为分离技术，可以列举：通过激光照射进行切割的方法；以及通过离子注入预先形成分离界面，在离子注入表面上生长单晶金刚石材料，并且然后将金刚石材料分离在离子注入的分离界面的方法。
根据本发明的另一实施例的工具包括前述实施例的单晶金刚石材料。因此，本实施例的工具可以是在工具的准备和使用期间几乎没有切屑的工具。本实施例的工具的非限制性示例包括切割刀头(bite)、铣削刮刀(milling wiper)、端铣刀(end mill)、钻头(drill)、铰刀(reamer)、切刀(cutter)、砂轮整修器(dresser)、线导向器(wire guide)、拉丝模具(wiredrawing dice)、水刀喷嘴(waterjet nozzle)、金刚石刀(diamond knife)、玻璃切刀(glass cutter)和划刻器(scriber)。
根据本发明又一实施例的辐射温度监测器包括上述实施例的单晶金刚石材料。因此，本实施例的辐射温度检测器更接近黑体辐射，并且能够评估真实温度。本实施例的辐射温度检测器的非限制性示例包括温度检测芯片和用于检测温度的保持器。
根据本发明又一实施例的红外光学组件包括上述实施例的单晶金刚石材料。因此，本实施例的红外光学组件伴随着尽可能少的可见光的泄漏，并且能够充分地感测红外光。本实施例的红外光学组件的非限制性具体示例包括红外窗口、红外镜片、和用于阻隔碎屑和废物的红外窗口的屏蔽。
示例
(示例I)
1.种基板的制备
作为种基板，制备通过高温高压合成法制造的由Ib型单晶金刚石(500μm厚，5mm2)形成的基板。这些基板的主面的平面方向为(001)面。将这些制备的种基板的主面被机械抛光，使得它们从(001)面沿[001]方向偏离3°。然后，在这些种基板的表面上，用金属结合金刚石磨具形成抛光缺陷，同时控制速度使得算术平均粗糙度Ra为10nm，并且由此使表面变得粗糙。
2.单晶金刚石材料的生长
将三种种基板置于已知的微波等离子体CVD设备中，并且在三种种基板上，允许含有不同包含的氮的浓度的三种单晶金刚石材料外延生长。这里，微波的频率为2.45GHz，微波功率为5kW，并且生长时间为60小时。以这样的方式，形成厚度为1.2mm的三种类型的气相合成单晶金刚石材料。
3.单晶金刚石材料与种基板的分离
通过用激光切割所得到的三种类型的气相合成单晶金刚石材料，将它们与种基板分离，并且然后将三种类型的气相合成单晶金刚石材料的表面抛光为平坦的。
4.单晶金刚石材料的物理性质测量
对于获得的三种类型的单晶金刚石材料(样品1至3)和制备的高温高压合成的Ib型金刚石材料(比较样品)，测量总氮浓度、孤立替位氮浓度、和光透过率。通过SIMS测量总氮浓度。通过ESR分析测量孤立替位氮浓度。通过使用市售的分光光度计测量光透过率。
样品I-1至I-3是通过使用表面的算术平均粗糙度Ra为10nm的种基板来制备的单晶金刚石材料，其总氮浓度分别为10ppm、20ppm和30ppm，孤立替位氮浓度分别为100ppb、180ppb和250ppb。另一方面，比较样品的总氮浓度为150ppm，孤立替位氮浓度为150ppm。
在样品I-1至I-3中，在410nm至750nm的可见光区域中显示最大透过率的波长处的光的透过率分别为14％、9％、和1.5％，这分别对应于“深黑色金刚石”、“深黑色金刚石”、和“乌黑金刚石”。将所有样品I-1至I-3用于辐射温度监测器，并记录与实际条件一致的正确温度。使用获得的单晶金刚石材料制造切割工具并进行测试。在切割速度为500m/min、切割量为0.01mm、并且进给量为0.01mm/转的条件下，使用铝材A5052作为待切割材料进行试验。结果，确认切削工具几乎没有碎裂并且具有优异的耐磨性。样品I-1-I-3全部作为窗口材料几乎阻隔了可见光并且呈黑色，并且透过了大于等于波长为10.6μm的红外光的40％，并且它们分别透射红外光的62％、55％、48％。另一方面，比较样品是黄色透明板，并且良好透射了波长为750nm的光。在每个样品的厚度为0.5mm并且在两侧上抛光以使表面的算术平均粗糙度Ra小于或等于1nm并且平行度小于或等于0.1°的板的两侧上，气相沉积直径为1.6mm的Ti电极以具有200nm厚度，并且通过在室温(25℃)下施加50V的电压来测量电流-电压特性。每个样品很少地通过电流，呈现每个样品的电阻率大于或等于1×1012Ωcm。
(示例II)
在本示例中，以与示例I相同的方式制备单晶金刚石材料，不同之处在于种基板的表面粗糙度Ra和在晶体生长期间的甲烷浓度和氮浓度改变，并且测量单晶金刚石材料的物理性质。
当单晶金刚石材料中的总氮浓度小于或等于10ppm时，以10％的甲烷浓度合成材料；当单晶金刚石材料中的总氮浓度高于10ppm且小于或等于90ppm时，合成了甲烷浓度为18％的材料；并且当晶体金刚石材料中的总氮浓度高于90ppm时，合成了甲烷浓度为25％的材料。通过使氮浓度在0.1-10％的范围内变化来调整单晶金刚石材料中的氮浓度。单晶金刚石材料的制备通过偶尔允许晶体在不加氮的条件下生长，并再次允许晶体在加入相同浓度的氮气的情况下生长来进行。开始在不添加氮的情况下的条件的指标如下：当目标总氮浓度小于5ppm时，在单晶金刚石的厚度为1.0-1.2mm下进行3μm生长；当目标总氮浓度大于或等于5ppm且小于10ppm时，以0.7-0.8mm的单晶金刚石的厚度进行5μm生长；当目标总氮浓度大于或等于10ppm且小于90ppm时，在单晶金刚石的厚度为0.4至0.5mm的条件下进行8μm生长；并且当目标总氮浓度大于或等于90ppm时，在单晶金刚石的厚度为0.3-0.4mm的条件下进行8μm生长。这是为了将高浓度下的非替位杂质混合到单晶金刚石材料中而不破坏晶体晶格。制备的样品II-1至II-9的结果统一示于表1中。在表1中，“可见光透过率”示出在410nm至750nm的可见光区域中显示最大透过率的波长处的光的透过率。
参照表1，在样品II-1-II-8中，通过种基板的表面状态和单晶金刚石材料的晶体生长合成条件，与孤立替位氮浓度相比，使得总氮浓度更高(换言之，使总氮浓度与孤立替位氮浓度的比提高)，引入空位，期望的可见区域的光的透过率小于或等于15％，在波长为10.6μm的红外区域中的光的透过率大于或等于40％，并且电阻率大于或等于1×106Ωcm。样品II-1至II-8可用作红外窗口，或用作用于黑体辐射的辐射温度监测器。准备了一个切割工具，并进行了测试。通过将材料切割成1mm至2mm的厚度，将切割件钎焊到工具的柄上，并且然后对边缘进行加工来制备切割尖端。在切割速度为500m/min、切割量为0.01mm、进给量为0.01mm/转的条件下，使用铝材A5052作为切割材料进行试验。结果，确认切削工具几乎没有碎裂并且具有优异的耐磨性。对于样品II-1至II-8，总氮浓度对孤立替位氮的很大比例似乎有助于这些样品的高耐崩裂性和高耐磨性。关注样品II-1，当非替位氮浓度大于或等于0.88ppm时，或当空位浓度与非替位氮浓度之和大于或等于5ppm时观察到效果。在样品II-9中，总氮浓度与孤立替位氮浓度的比为2.8，其低于8，可见光区的透过率高达67％。
(示例III)
在本示例中，以与示例I中相同的方式制备单晶金刚石材料，除了种基板的表面粗糙度Ra，晶体生长期间的甲烷浓度和氮浓度以及总杂质元素浓度，以及Mg、Al、Si、P、和S中的至少一种杂质元素的总替位杂质元素浓度改变，并测量材料的物理性质。通过在种基板附近设置MgO、Al2O3、Si、InP、或ZnS等小片(每个1mm×2mm)，进行Mg、Al、Si、P、和S的至少一种杂质元素的添加，并且添加量由小片的数目控制。当单晶金刚石材料中的总氮浓度小于或等于10ppm时，以10％的甲烷浓度进行合成，并且当单晶金刚石材料中的总氮浓度大于10ppm且小于或等于90ppm时，以甲烷浓度18％进行合成。通过在0.1-10％的范围内改变单晶金刚石材料中的氮浓度来调节单晶金刚石材料中的氮浓度。单晶金刚石材料的制备通过下述方式进行：偶尔允许晶体在不添加氮的条件下生长，并且再次允许晶体在与示例II相同的方式加入相同浓度的氮的情况下生长。由于使用固体源用于除氮以外的其他杂质成分，因此该条件不是完全没有添加，而仅在此时在10％量的甲烷气体中添加CO2气体来抑制杂质元素的存在。在不添加氮的情况下的开始条件的指标与示例II相同。这是为了将高浓度的非替位杂质混合到单晶金刚石材料中而不破坏晶体晶格。制备的样品III-1至III-10的结果统一示于表2中。在表2中，“可见光透过率”示出在410nm至750nm的可见光区域显示最大透过率的波长处的光的透过率。
参照表2，在样品III-1至III-8中，通过种基板的表面状态和单晶金刚石材料的晶体生长合成条件，总氮浓度与孤立替位氮浓度的比在除了氮以外的杂质元素中高达大于或等于2.5，总杂质元素浓度与总替位杂质元素浓度之比大(在样品III-1到III-7中的该比率大于或等于8)，引入空位，期望的可见区域的光的透过率小于或等于15％，波长为10.6μm的红外区域的光的透过率大于或等于40％，并且电阻率大于或等于1×106Ωcm。如样品III-1至III-5中那样，即使当总氮浓度低时，大量的其它杂质元素也以非替位形式被引入，并且期望的可见光区域的光的透过率小于或等于15％。样品III-1至III-8可用作红外窗口，或用作用于黑体辐射的辐射温度监测器。准备了切割工具，并进行了测试。在切割速度为500m/min、切割量为0.01mm、并且进给量为0.01mm/转的条件下，使用铝材A5052作为切割材料进行试验。结果，确认切削工具几乎没有碎裂并且具有优异的耐磨性。对于样品III-1至III-8，总杂质元素浓度相对于总替位杂质元素浓度的大比例似乎有助于这些样品的高耐崩裂性和高耐磨性。在样品III-9和III-10中，也在氮气中以及也在上述杂质元素中，(总)元素浓度与分离(总)替位元素浓度的比不大于或等于8，并且可见光区域的透过率高达67％。
(示例IV)
在本示例中，以与示例1相同的方式制备单晶金刚石材料，不同之处在于种基板的表面粗糙度Ra、在晶体生长期间的甲烷浓度和氮浓度，以及B、Al和Si中的至少一种杂质元素的浓度变化，并测量材料的物理性质。通过引入B2H6气体来进行硼的添加，以与示例III相同的方式进行Al和Si的添加。当单晶金刚石材料中的总氮浓度小于或等于10ppm时，以10％的甲烷浓度进行合成，并且当单晶金刚石材料中的总氮浓度大于10ppm且小于或等于90ppm时，以甲烷浓度18％进行合成。通过使氮浓度在0.1-10％的范围内变化来调整单晶金刚石材料中的氮浓度。单晶金刚石材料的制备通过下述方式进行：偶尔允许晶体在不加氮和添加硼的条件下生长，并再次允许晶体在加入相同浓度的氮和硼的情况下生长。由于固体源被用于除氮和硼之外的其它杂质元素，所以条件不是完全没有添加，但是仅在此时在10％的甲烷气体中加入CO2气体以抑制杂质元素的存在。在不添加氮的情况下的开始条件的指标与示例II相同。这是为了将高浓度的非替位杂质混合到单晶金刚石材料中而不破坏晶格。制备的样品IV-1至IV-10的结果统一示于表3中。在表3中，“可见光透过率”示出在410nm至750nm的可见光区域显示最大透过率的波长处的光的透过率。
参考表3，在样品IV-1至IV-8中，通过种基板的表面状态和单晶金刚石材料的晶体生长合成条件，与孤立替位氮浓度相比，总氮浓度增加，引入空位，期望的可见光区域的透过率小于或等于15％，波长10.6μm的红外区域的光透过率大于或等于40％，并且电阻率大于或等于1×106Ωcm。样品IV-1至IV-8可用作红外窗口，或用作用于黑体辐射的辐射温度监测器。准备了切割工具，并进行了测试。在切割速度为500m/min、切割量为0.01mm、并且进给量为0.01mm/转的条件下，使用铝材A5052作为切割材料进行试验。结果，确认切削工具几乎没有碎裂并且具有优异的耐磨性。在样品IV-9和IV-10中，由于硼浓度高于氮浓度，并且电阻率低，在可见光区域和红外区域中的透过率均低。
应当理解，本文公开的实施例和示例在所有方面都是说明性的而不是限制性的。本发明的范围由权利要求书而不是上述描述来指定，并且旨在涉及在与权利要求书等效的含义和范围内的任何修改。

Claims (13)

1.一种单晶金刚石材料，对于波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光，所述单晶金刚石材料的透过率小于或等于15％，所述单晶金刚石材料是根据光学评估的电绝缘体和根据电气评估的电绝缘体中的至少任何一个。
2.根据权利要求1所述的单晶金刚石材料，其中，所述光学评估的准则是波长为10.6μm的光的透过率大于或等于1％。
3.根据权利要求1或2所述的单晶金刚石材料，其中，所述电气评估的准则是平均电阻率大于或等于1×106Ωcm。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的单晶金刚石材料，其中，对于波长大于或等于410nm且小于或等于750nm的任何波长的光，透过率小于或等于3％。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的单晶金刚石材料，所述单晶金刚石材料的总氮浓度大于或等于孤立替位氮浓度的8倍。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的单晶金刚石材料，所述单晶金刚石材料的非替位氮浓度大于或等于0.875ppm，所述非替位氮浓度是通过从总氮浓度减去孤立替位氮浓度来获得的。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的单晶金刚石材料，所述单晶金刚石材料的空位浓度高于孤立替位氮浓度、非替位氮浓度、总氮浓度和1ppm中的至少任一个。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的单晶金刚石材料，所述单晶金刚石材料的选自由镁、铝、硅、磷和硫组成的组中的至少一种杂质元素的总杂质元素浓度大于或等于至50ppb。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的单晶金刚石材料，所述单晶金刚石材料的选自由镁、铝、硅、磷和硫组成的组中的至少一种杂质元素的总杂质元素浓度大于或等于所述杂质元素的总替位杂质元素浓度的8倍。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的单晶金刚石材料，所述单晶金刚石材料的总硼浓度小于或等于总氮浓度。
11.一种工具，包括根据权利要求1至10中的任一项所述的单晶金刚石材料。
12.一种辐射温度监测器，包括根据权利要求1至10中的任一项所述的单晶金刚石材料。
13.一种红外光学组件，包括根据权利要求1至10中的任一项所述的单晶金刚石材料。
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