CN110219043A - 一种多色单晶金刚石生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多色单晶金刚石生长方法，其包括以下步骤：(S1)提供单晶金刚石种晶；(S2)清除种晶存在的杂质；(S3)将种晶放入可控的生长环境，并以可控制的方式将选自氮元素或硼元素的化学掺杂剂元素引入到种晶的生长环境中以使得种晶生长为指定颜色的单晶金刚石，其中每完成一次颜色的生长后以可控制的方式对种晶进行切割研磨以实现每层颜色的厚度控制，并改变生长环境和/或引入化学掺杂剂元素的种类使得种晶再次生长，从而使得种晶生长形成的单晶金刚石具有指定的颜色组合及指定的每层颜色的厚度。本发明能够实现人为控制单晶金刚石的颜色组合及每层颜色的厚度，颜色可达到两种及两种以上。

Description

一种多色单晶金刚石生长方法

技术领域

本发明涉及单晶金刚石的生长和加工，更详而言之涉及一种多色单晶金刚石生长方法。

背景技术

金刚石由于具有极其优异的物理化学性质，在工艺品加工领域被得到广泛应用。天然出产的金刚石通常只有单一的颜色，很少能出产具有多重颜色组合的金刚石，即使有多种颜色也不是人为可控的，商业应用价值不高。为了追求产品的美感，人们希望在加工过程中实现人为地控制金刚石的颜色。

但是，现有技术只能做单一颜色的人造金刚石，无法人为地控制形成指定颜色和厚度组合的单晶金刚石。因此，本领域亟需一种多色单晶金刚石生长方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多色单晶金刚石生长方法，解决了现有技术中只能制造单一颜色人造金刚石的问题，能够实现人为控制单晶金刚石的颜色组合及每层颜色的厚度，颜色可达到两种及两种以上。

为了实现上述目的，本发明提供一种多色单晶金刚石生长方法，其包括以下步骤：

(S1)提供单晶金刚石种晶；

(S2)清除所述种晶存在的杂质；

(S3)将所述种晶放入可控的生长环境，并以可控制的方式将选自氮元素或硼元素的化学掺杂剂元素引入到所述种晶的生长环境中以使得所述种晶生长为指定颜色的单晶金刚石，其中每完成一次颜色的生长后以可控制的方式对所述种晶进行切割研磨以实现每层颜色的厚度控制，并改变生长环境和/或引入化学掺杂剂元素的种类使得所述种晶再次生长，从而使得所述种晶生长形成的单晶金刚石具有指定的颜色组合及指定的每层颜色的厚度。

根据本发明的优选实施例，在所述步骤(S3)中，所述化学掺杂剂元素的引入是以气体形式、液体形式、以及固体形式中的一种或组合进行添加的。

根据本发明的优选实施例，在所述步骤(S3)中，将所述种晶放入可控的生长环境具体为：

将所述种晶放入化学气相沉积生长炉中，通入氢气和甲烷，比例为100:3，将炉内气压控制在10KPa～15KPa，炉内温度控制在700℃～800℃。

进一步地，在所述种晶的生长过程中通入含有硼元素的气体，使得所述种晶呈现蓝色。

进一步地，在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，且后期不再进行处理，使得所述种晶呈现褐色。

进一步地，在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，完成生长后将所述种晶放入高温高压炉内20～200分钟，并将炉内气压控制在8GPa～10GPa，炉内温度控制在1200℃～1500℃，使得所述种晶呈现红色系。

进一步地，在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，完成生长后用辐照设备对所述种晶进行辐照，使得所述种晶呈现绿色。

根据本发明的另一优选实施例，在所述步骤(S3)中，将所述种晶放入可控的生长环境具体为：

将所述种晶放入高温高压环境中进行生长，并在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，将气压控制在4GPa～10GPa，温度控制在900℃～1900℃，使得所述种晶呈现黄色系。

根据本发明的优选实施例，所述步骤(S3)中，所述每完成一次颜色的生长后以可控制的方式对所述种晶进行切割研磨以实现每层颜色的厚度控制，具体为：

人为控制所述种晶进行颜色生长的生长速率和生长时间。

根据本发明的优选实施例，所述步骤(S2)具体包括以下步骤：

(S21)用王水加热浸泡所述种晶，除去可能残留的金属元素；

(S22)用丙酮超声清洗所述种晶，除去可能存在的无机物；

(S23)用去离子水超声清洗所述种晶，除去可能残留的丙酮；

(S24)用酒精超声清洗所述种晶，除去可能存在的无机物；

(S25)对所述种晶进行等离子体刻蚀清洗，处理表面晶体晶格，使其更适宜生长。

优选地，在所述步骤(S21)中的加热浸泡时间为2～4小时，在所述步骤(S22)至所述步骤(S25)中，每个步骤的清洗时间为60分钟。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过改变种晶的生长环境和引入的化学掺杂剂元素种类，并配合不同的处理条件实现了人造金刚石可呈现多种颜色，且颜色种类和组合人为可控，另外通过控制种晶生长速率和生长时间可实现人为控制每层颜色的厚度，通过本发明提供的方法加工得到的单晶金刚石能够形成指定的颜色组合及每层颜色的厚度，提高了产品的观赏度，且具有较高的商业应用价值。

本发明的上述以及其它目的、特征、优点将通过下面的详细说明和附图进一步明确。

附图说明

图1是根据本发明优选实施例的方法流程示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

参看附图之图1，根据本发明优选实施例的多色单晶金刚石生长方法将在接下来的描述中被阐明，其包括以下步骤：

(S1)提供单晶金刚石种晶；

(S2)清除所述种晶存在的杂质；

(S3)将所述种晶放入可控的生长环境，并以可控制的方式将选自氮元素或硼元素的化学掺杂剂元素引入到所述种晶的生长环境中以使得所述种晶生长为指定颜色的单晶金刚石，其中每完成一次颜色的生长后以可控制的方式对所述种晶进行切割研磨以实现每层颜色的厚度控制，并改变生长环境和/或引入化学掺杂剂元素的种类使得所述种晶再次生长，从而使得所述种晶生长形成的单晶金刚石具有指定的颜色组合及指定的每层颜色的厚度。

在所述步骤(S1)中，优先选取表面无裂纹、多晶、晶型无缺陷的种晶进行后续的加工处理，以保证最后成品的品质。

具体地来说，所述步骤(S2)具体包括以下步骤：

(S21)用王水加热浸泡所述种晶，除去可能残留的金属元素；

(S22)用丙酮超声清洗所述种晶，除去可能存在的无机物；

(S23)用去离子水超声清洗所述种晶，除去可能残留的丙酮；

(S24)用酒精超声清洗所述种晶，除去可能存在的无机物；

(S25)对所述种晶进行等离子体刻蚀清洗，处理表面晶体晶格，使其更适宜生长。

优选地，为了保证清洗效果，在所述步骤(S21)中的加热浸泡时间为2～4小时，在所述步骤(S22)至所述步骤(S25)中，每个步骤的清洗时间为60分钟。

优选地，在所述步骤(S3)中，所述化学掺杂剂元素的引入是以气体形式、液体形式、以及固体形式中的一种或组合进行添加的。

更具体地来说，在所述步骤(S3)中实现所述种晶生长形成的单晶金刚石具有指定的颜色组合及指定的每层颜色的厚度的具体过程将在接下来的描述中被阐明：

作为优选的一种具体实施方式，在所述步骤(S3)中，将所述种晶放入可控的生长环境具体为：

将所述种晶放入化学气相沉积生长炉中，通入氢气和甲烷，比例为100:3，将炉内气压控制在10KPa～15KPa，炉内温度控制在700℃～800℃。

进一步地，在上述生长环境的条件下，在所述种晶的生长过程中通入含有硼元素的气体(例如硼烷、乙硼烷等)，使得金刚石内部含有硼原子，硼原子比碳原子少一个电子，因此当硼原子替代碳原子进入钻石晶格时，就会形成一个空穴色心。当每100万个碳原子中含有一个或几个硼原子时，形成的空穴色心能够把从红外至500nm(绿光边缘)的光吸收，使得所述种晶呈现蓝色。

进一步地，在上述生长环境的条件下，在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，使得金刚石中含有氮元素，且后期不再进行处理，导致塑性变形，碳原子位错或内部晶格变形，使得所述种晶呈现褐色。

进一步地，在上述生长环境的条件下，在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，并在完成生长后将所述种晶放入高温高压炉内20～200分钟，并将炉内气压控制在8GPa～10GPa，炉内温度控制在1200℃～1500℃，高温高压的环境会使得金刚石内部晶格扭曲，使得所述种晶呈现红色系，包括粉色、粉红色等。

进一步地，在上述生长环境的条件下，在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，完成生长后用辐照设备对所述种晶进行辐照，辐照会使得金刚石晶格位置上的碳缺失，形成空穴，从而使得所述种晶呈现绿色。

本领域技术人员容易理解的是，在上述生长环境的条件下，如果所述种晶为纯净的无色透明晶体，并且在所述种晶的生长过程中不添加含有氮元素和硼元素的气体，金刚石内部无氮元素或者含氮量低于100ppb，那么所述种晶生长后形成的单晶金刚石为无色状态。

作为优选的另一种具体实施方式，在所述步骤(S3)中，将所述种晶放入可控的生长环境具体为：

将所述种晶放入高温高压环境中进行生长，并在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，将气压控制在4GPa～10GPa，温度控制在900℃～1900℃，使得氮原子取代晶格中碳原子的位置，产生孤氮中心、或H3、H4色心或N2、N3中心，从而使得所述种晶呈现黄色系。上述高温高压环境可由两面顶、六面顶、分割球等设备提供。

综上所述，通过改变所述种晶的生长环境和引入的化学掺杂剂元素种类，并配合不同的处理条件可以实现人为控制金刚石所呈现的颜色，多次改变可使得金刚石形成不同的颜色层和颜色组合。

进一步地，所述步骤(S3)中，所述每完成一次颜色的生长后以可控制的方式对所述种晶进行切割研磨以实现每层颜色的厚度控制，具体为：

人为控制所述种晶进行颜色生长的生长速率和生长时间。

人为地控制生长速率和生长时间可以达到控制每层颜色的大致厚度，每层颜色生长后再对单晶金刚石进行切割、研磨处理，以达到准确的控制每层的厚度尺寸，厚度误差可以控制在5微米以内。

本领域技术人员容易理解的是，所述生长速率的控制可以通过控制氢气甲烷比例、控制生长过程中的压力、控制生长时的温度、控制通入化学掺杂剂元素的量等措施来实现。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)提供单晶金刚石种晶；

(S2)清除所述种晶存在的杂质；

(S3)将所述种晶放入可控的生长环境，并以可控制的方式将选自氮元素或硼元素的化学掺杂剂元素引入到所述种晶的生长环境中以使得所述种晶生长为指定颜色的单晶金刚石，其中每完成一次颜色的生长后以可控制的方式对所述种晶进行切割研磨以实现每层颜色的厚度控制，并改变生长环境和/或引入化学掺杂剂元素的种类使得所述种晶再次生长，从而使得所述种晶生长形成的单晶金刚石具有指定的颜色组合及指定的每层颜色的厚度。

2.根据权利要求1所述的多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，在所述步骤(S3)中，所述化学掺杂剂元素的引入是以气体形式、液体形式、以及固体形式中的一种或组合进行添加的。

3.根据权利要求2所述的多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，在所述步骤(S3)中，将所述种晶放入可控的生长环境具体为：

将所述种晶放入化学气相沉积生长炉中，通入氢气和甲烷，比例为100:3，将炉内气压控制在10KPa～15KPa，炉内温度控制在700℃～800℃。

4.根据权利要求3所述的多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，在所述种晶的生长过程中通入含有硼元素的气体，使得所述种晶呈现蓝色。

5.根据权利要求3所述的多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，且后期不再进行处理，使得所述种晶呈现褐色。

6.根据权利要求3所述的多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，完成生长后将所述种晶放入高温高压炉内20～200分钟，并将炉内气压控制在8GPa～10GPa，炉内温度控制在1200℃～1500℃，使得所述种晶呈现红色系。

7.根据权利要求3所述的多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，完成生长后用辐照设备对所述种晶进行辐照，使得所述种晶呈现绿色。

8.根据权利要求2所述的多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，在所述步骤(S3)中，将所述种晶放入可控的生长环境具体为：

将所述种晶放入高温高压环境中进行生长，并在所述种晶的生长过程中通入含有氮元素的气体，将气压控制在4GPa～10GPa，温度控制在900℃～1900℃，使得所述种晶呈现黄色系。

9.根据权利要求1所述的多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，所述步骤(S3)中，所述每完成一次颜色的生长后以可控制的方式对所述种晶进行切割研磨以实现每层颜色的厚度控制，具体为：

人为控制所述种晶进行颜色生长的生长速率和生长时间。

10.根据权利要求1所述的多色单晶金刚石生长方法，其特征在于，所述步骤(S2)具体包括以下步骤：

(S21)用王水加热浸泡所述种晶，除去可能残留的金属元素；

(S22)用丙酮超声清洗所述种晶，除去可能存在的无机物；

(S23)用去离子水超声清洗所述种晶，除去可能残留的丙酮；

(S24)用酒精超声清洗所述种晶，除去可能存在的无机物；

(S25)对所述种晶进行等离子体刻蚀清洗，处理表面晶体晶格，使其更适宜生长。