CN1688754A

CN1688754A - 着色的金刚石

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Publication number: CN1688754A
Application number: CN 03823561
Authority: CN
Inventors: D·J·特威切恩; P·M·马蒂诺; G·A·斯卡斯布鲁克
Original assignee: Element Six Ltd
Current assignee: Element Six Ltd
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: ZA200501337B; CN100366802C; GB0220772D0

Abstract

提供了一种生产具有需要色彩的单晶CVD金刚石的方法，该方法包括如下步骤：提供着色的单晶CVD金刚石，和在适合于产生所需色彩的条件下热处理所述的金刚石。可以产生的颜色有例如在粉红－绿色范围的那些。

Description

着色的金刚石

发明背景

本发明涉及生产着色的金刚石的方法，更具体而言，本发明涉及生产着色的单晶化学气相沉积(下称CVD)金刚石的方法，该金刚石适合于例如装饰目的。

本征金刚石具有5.5eV的间接带隙，并且在光谱的可见光部分是透明的。引入具有在所述带隙内的缔合能级的缺陷或色彩中心(此后将如此称呼它们)将给金刚石一种特征颜色，该特征颜色取决于色彩中心的类型和浓度。该颜色可来自于吸收或光致发光或这二者的某种组合。存在于合成金刚石中的常见色彩中心的一个实例是氮，当它以中性电荷状态位于取代晶格位点上时，具有低于导带～1.7eV的缔合能级，所产生的吸收使金刚石具有特征的黄/棕色。

众所周知，对金刚石的生长后处理，例如用足够能量的粒子或放射线(电子、中子、γ射线等)辐照以产生晶格缺陷(晶格节点间缺陷和空穴)和随后合适的退火，可导致形成色彩中心，如氮-空穴[N-V]色彩中心，所述色彩中心可使金刚石显示需要的颜色(参见例如EP 0 615 954A1、EP 0 326 856 A1和在其中引用的参考文献)。John Walker在Reportson Progress in Physics，Vol.42 1979中详细地讨论了色彩中心的进一步的特征和人工产生方法。在这些文件中所述的产生色彩中心的人工产生方法包括如下步骤：通过电子束辐射在晶体内形成晶格缺陷；和如果需要，进行退火以引起晶格缺陷，以便与晶体内所包含的氮原子结合。然而，作为竞争性缺陷形成的结果和由于与金刚石内的缺陷如氮的浓度有关的强的生长面依赖性，导致可产生的颜色和均匀性方面存在局限性。

利用生长后色彩中心形成方法着色的金刚石颜色，是与在生长后处理过程中改性或产生的一种或多种色彩中心的影响相结合的生长后处理之前未加工金刚石的颜色。为了获得需要的装饰价值，和因此实现高透明度与鲜艳色彩的组合，通常的做法是使用最初是无色的或浅黄色的金刚石。因此，这种方法不容易用于棕色的单晶CVD金刚石。

EP 671482、US 5,672,395和US 5,451,430描述了利用使金刚石致密化的HPHT处理使多晶CVD金刚石更加透明的方法。

还知道棕色天然金刚石的颜色可以通过高压和高温下的退火来改变。例如，可以通过在非常高的温度和稳定压力下的退火，使天然IIa型金刚石成为无色，或者可以通过在相当低的温度和在稳定压力下的退火而使它变为粉红色。天然金刚石中的棕色据信与塑性变形(plasticdeformation)有关，但是棕色的确切原因以及退火如何改变它仍然是未知的。

色彩存在三种视觉属性：色调、亮度和饱和度。色调是允许将颜色分为红、绿、蓝、黄、黑或白，或作为这些基本色调的相邻一对或三种之间的中间色色调的色彩属性。

白、灰和黑色物体基于从亮到暗的亮度等级而被区分。亮度是通过由白色开始渐进地经过较暗程度的灰色并终止于黑色的中性单色等级的类似度来定义的色彩属性。

饱和度是由相同亮度的单色颜色的差别程度来定义的色彩属性。它也是相应于色彩强度的描述性术语。金刚石行业使用形容词如浓、强和鲜艳表示视觉评估的不同饱和度。在CIE L^*a^*b^*彩色体系中，饱和度是远离中性色轴的程度(由饱和度＝[(a^*)²+(b^*)²]^1/2来定义，参见后面)。亮度是独立于饱和度而感觉的视觉质量。

通过CVD在基质上沉积诸如金刚石之类的材料的方法现已是公知的，且在专利和其它文献中已被深入描述。在在基质上沉积金刚石的情况下，该方法通常包括提供气体混合物，当解离时，所述气体混合物可提供原子形式的氢或卤素(例如F、Cl)和C或含碳自由基及其它反应性物质，例如CH_x、CF_x，其中x可以是1-4。另外，可存在含氧源，同样可存在氮源和硼源。可在合成等离子体中以许多形式引入氮；典型地，这些是N₂、NH₃、空气和N₂H₄。在许多方法中，还存在诸如氦气、氖气或氩气之类的惰性气体。因此，典型的源气体混合物将含有烃C_xH_y，其中x和y各自可以是1-10，或卤代烃C_xH_yHal_z，其中x和z各自可以是1-10，y可以是0-10，和任选地一种或多种下述气体：CO_x，其中x可以是0.5-2，O₂，H₂，N₂，NH₃，B₂H₆和惰性气体。各种气体可以按照其天然同位素比存在，或可人工控制相对同位素比；例如氢可以以氘或氚的形式存在，而碳可以以¹²C或¹³C的形式存在。通过能源如微波、RF(射频)能量、火焰、热丝或喷射基技术，引起源气体混合物的解离，并且如此产生的反应性气体物质被允许沉积在基质上并形成金刚石。

可在各种基质上生产CVD金刚石。取决于基质的性质和工艺化学的细节，可生产多晶或单晶CVD金刚石。

发明概述

根据本发明，一种生产具有需要色彩的单晶CVD金刚石的方法包括如下步骤：提供着色的(有时候其本身是希望的)单晶CVD金刚石，和在适合于产生所需色彩的条件下热处理所述的金刚石。

用作原料的单晶CVD金刚石是着色的，而所述热处理在适合于在所述金刚石中产生另一种和需要的色彩的控制条件下进行。

通常在金刚石中可以看见多于一种的颜色。主色是如果要求观察者找出仅涉及一种颜色的最准确描述时，在标准照明和观察条件下观察者所选出的颜色。具有一种给定主色的金刚石可以具有一种被一系列其它颜色修饰的色彩，所述其它颜色在三维色空间，例如以下描述的CIEL^*a^*b^*色空间中与所述主色相邻。例如，在三维色空间中，粉颜色的区域与白、灰、棕、橙、紫和红颜色区域相邻。因此，粉红色的金刚石原则上可以显示这些颜色的任何一种作为不同程度的改性色，并且可以被适当地描述成例如微灰粉红色、微棕粉红色或微橙粉红色。在本说明书和权利要求书中，当提及各颜色(例如，棕色着色的金刚石、绿色的金刚石)时，这是指主色，并且可以存在第二种改性色。

一般来说，金刚石按照这样一种方式来抛光，使得当以预期的方式观看时，(朝上的面的)颜色不同于金刚石的固有颜色，该固有颜色在从侧面看宝石时可以最佳地看见。这部分是因为小平面的抛光方式使得对于到达观察者眼睛的光线而言，当以预期的方式看宝石时，在宝石内的路径长度由于一个或多个内反射而大大增加。增加的路径长度对色彩坐标的影响可以按下文中所描述的方式建立模型。

用作原料的单晶CVD金刚石的颜色典型地为棕色。在适宜的热处理条件下，所述棕色可以被转变为包括无色和接近无色的多种需要颜色的任何一种，特别是鲜艳的颜色。术语“鲜艳(fancy)”是指在金刚石中更饱和和更满意的色彩的宝石行业分类。更具体地，所述的热处理可以使得在金刚石中产生一系列的鲜艳绿色和鲜艳粉红色的颜色。

所述单晶CVD金刚石可以呈层状物的形式，或一片层状物的形式，例如切割成宝石。本发明特别可用于厚的金刚石层状物，即厚度大于1mm的金刚石层状物，和从这样的层状物生产的片。而且，所述CVD金刚石层状物优选在其整个厚度上具有均匀的晶体质量，以使在所述层状物的任何区域中，任何所需的色彩不被与低晶体质量有关的缺陷淬灭或遮盖。用这样的层状物或这种层状物的片可以产生一系列的粉红色和绿色，特别是鲜艳的粉红色和鲜艳的绿色，从由已知方法热处理的已知天然金刚石，或由已知方法处理的已知HPHT合成材料不能预期可以得到所述的颜色。特别地，超过1mm厚的单晶CVD金刚石层状物使得可以生产三个正交尺寸的每一个都超过1mm的产品，例如宝石。

已发现，在本发明的条件下热处理或退火的单晶CVD金刚石产生一系列的希望的颜色，所述颜色可根据CIE L^*a^*b^*的色空间来定义。更具体地，已发现热处理后的单晶CVD金刚石(对于从所述金刚石生产的1mm厚的平行侧面的层状物)具有处于以下范围任何之一的CIE Labb^*坐标：

0≤b^*≤8

0≤b^*≤4

0≤b^*≤2

0≤b^*≤1

如以上所提及的，单晶CVD金刚石的热处理可以导致无色或接近无色的金刚石。所述接近无色的金刚石可以按照CIE L^*a^*b^*色空间来定义。更具体而言，对于从所述金刚石生产的1mm厚的平行侧面的层状物，这种热处理的金刚石可以具有小于10或小于5或小于2的饱和度(C^*)。

热处理将根据已生长的CVD金刚石的性质和将在CVD金刚石中产生的所需色彩而变化。例如已发现，棕色单晶CVD金刚石的厚层状物或从这种层状物切割的片，可以在1600至1700℃范围内的温度下和在金刚石稳定化压力下退火一段时间，典型地为4小时，成为理想的粉红色至绿色的颜色。令人惊奇地，通过在1400至1600℃范围内的温度下，在在惰性或稳定性气氛中石墨稳定区的压力下，热处理所述层状物一段时间，典型地为4小时，这种厚金刚石层状物或从这种层状物切割的片的颜色也可以变为粉红色至绿色范围的颜色。惰性气氛的一个实例为氩(Ar)。

在本发明的一种形式中，采用一种引入氮至其在固体金刚石中的浓度为0.05-50ppm的方法来生产所述的单晶CVD金刚石。此范围的低限优选为0.1ppm，更优选为0.2ppm，甚至更优选为0.3ppm。此范围的高限优选为30ppm，更优选为20ppm，甚至更优选为10ppm。这可以使用例如其中氮(开始时以N₂，NH₃或某些其它含氮分子的形式)存在于气相中的等离子体方法来实现。为了得到可重复的结果和定制最终的产品，需要控制所述方法中的氮。气相中的典型浓度(在此说明书中所有氮的气相浓度都是基于N₂等价物，例如一个N₂分子等于两个NH₃分子)为0.5ppm-500ppm，更优选1ppm-100ppm，甚至更优选2ppm-30ppm，但本领域的技术人员将会理解，由于氮的吸收对诸如温度、压力和气相组成之类的工艺条件非常敏感，所以本发明不局限于这些限度。

可以使用氮的不同同位素，例如¹⁴N或¹⁵N。这些不同的同位素对生长化学和最终结果的影响通常可忽略，除了氮形成其一部分的任何缺陷的相关光谱带可以因原子质量的差异而位移。除了在实施例8中以外，¹⁴N被用来推导本说明书中存在的数据，但本发明范围包括了所有的氮同位素。

对诸如氮气之类的杂质的吸收还对生长面敏感，并且优选最终的层状物主要或基本上全部为一个生长面，或由于对称而相关的一类生长面。可以使用诸如{100}，{111}，{110}，{111}之类的生长面，更优选生长面{100}和{113}，最优选{100}。所述的金刚石可以还包含其它低浓度的掺杂物如P、S和B，虽然优选的方法不包括这些。

热处理(退火)通常在1200℃至2500℃的温度范围内进行。此范围的低限通常由在所述退火方法要求的工艺中实现可接受的动力学速率，以及选择进行所述动力学过程要实现的平衡缺陷浓度来设定。此范围的上限由实际考虑来设定，因为在高于2500℃下进行HPHT法操作存在困难，虽然通过在此温度之上的适当退火可以提高形成特别是接近无色的金刚石的退火过程。此范围的低限优选为1250℃，更优选为1300℃，甚至更优选为1400℃。此范围的高限优选为2000℃，更优选为1900℃，甚至更优选为1800℃。这种退火进行3-3×10⁶秒的时间。此时间范围的低限优选为30秒，更优选为100秒，甚至更优选为300秒。此时间范围的高限优选为3×10⁵秒，更优选为1×10⁵秒，还是更优选为2×10⁴秒，甚至更优选为7×10³秒。

退火可以在金刚石稳定化压力(diamond stabilizing pressure)下进行，或可以在接近或低于大气压下，例如在惰性或稳定化气氛中进行。本领域的技术人员将会理解，在这些变量之间存在着相互依赖性，在较低的温度或者在相同的温度下施加稳定化压力时通常要求更长的退火时间。因此，一个具体的温度范围可能比一个具体的时间范围更合适，而这两者都根据是否使用了稳定化压力而不同。由于石墨化的问题，在没有金刚石稳定化压力的情况下的退火工艺的上限温度通常为1600℃，特别是在退火时间较长或所述工艺没有得到仔细控制的情况下。但是，在没有金刚石稳定化压力的情况下，可以实现在高达1800℃、极端情况下在1900℃下的退火。

为了本说明书的目的，可以考虑将所述的压力范围分为两个区域，即通常称为金刚石稳定化压力的金刚石稳定区和石墨稳定区。石墨稳定区的最容易达到的区域是在大气压(1.01×10⁵Pa)附近的区域，虽然在控制的气体环境中，得到诸如1×10²Pa-1×10⁵Pa的较低压力，还有诸如1.02×10⁵Pa-5×10⁵Pa的较高压力通常是相当简单的。低于5×10⁵Pa范围的压力对金刚石体积内的缺陷退火没有可感知的影响。通常还知道，5×10⁵Pa到上至金刚石稳定化压力范围内的压力不会导致个别缺陷的行为，所述缺陷在基本性质上不同于可以从在金刚石稳定区或接近大气压下的退火得到的缺陷，虽然例如反应速度可能作为这两个极限之间压力的某种平滑函数而变化，因此，缺陷之间的平衡和相互作用可在一定程度上改变。为简单起见，本发明方法中在石墨稳定区中的退火通常在大气压下完成，但是这样并不限制本发明方法涵盖在石墨稳定区中的其它压力下的退火。

通常地，在高压加压中使用的压力是以千巴给出的。为了保持一致性，在本说明书中所有的压力都以Pa给出，所选择的较高压力将采用以下的转换因子而转换为巴或千巴：1巴＝1.0×10⁵Pa。

本发明的着色的CVD金刚石晶体优选具有满意的色调。如后面更充分描述的以及如图4所示的，通过从a^*b^*色彩图上代表该色调的点将线往回延伸，可确定某一具体色调的色调角。热处理后CVD金刚石的色调角典型地为小于65°或小于60°或小于55°或小于50°。众所周知，粉红色的金刚石是珠宝商、收藏家和消费者所更喜爱和高度推崇的，原因在于它们被普遍认可的不同寻常的美丽和稀有(Pink Diamonds，JohnM.King etal.，Gems and Gemology，Summer 2002)。在钻石工业中，绿钻石也是高价值的和人们非常喜爱的(Collecting and ClassifyingColoured Diamonds，Stephen C.Hofer，1998，Ashland Press Inc.NewYork)。一般来说，色彩越纯，第二种改性色(colour modifier)的影响越弱，则粉红色和绿色的金刚石越受珍视。本发明的热处理或退火条件可以通过增加、除去、减少或改变对色彩改变有贡献的吸收来提高所述色彩的纯度。同时，退火或热处理可以通过降低在宽的光谱区域内降低吸收的缺陷的浓度而增加亮度。

对单晶CVD金刚石或从单晶CVD金刚石层状物切割或生产的片来说，对棕色CVD金刚石的色彩有贡献的某些色彩中心是独特的，并可以特别影响厚层状物的可感知色彩。它们不同于对天然金刚石的色彩有贡献的那些色彩中心的事实是清楚的，因为它们导致在天然金刚石吸收光谱中不曾发现的吸收带。据信，某些色彩中心与单晶CVD金刚石内金刚石键合的非常局部的破裂有关。对此的证据来自可利用红外激发源(例如785nm或1064nm)观察到的非金刚石碳拉曼散射。对棕色天然金刚石观察不到这样的拉曼散射。通过退火可以改变棕色单晶CVD金红石的光谱在可见光区中吸收带的相对强度，拉曼光谱中同时发生变化。可以在比改变棕色天然金刚石色彩所要求的温度低得多的温度下观察到吸收光谱中的变化。显著的色彩变化可以甚至通过在大气压下、在惰性气氛中、在例如1600℃或更低的远低于金刚石在不含氧情况下石墨化的温度的温度下退火而实现。这不是可预见的，因为非金刚石碳至金刚石的转化通常要求在金刚石稳定体制(diamond-stable regime)中的高压和高温条件下的处理。

与CVD金刚石生长机理有关的特征可导致中心在约350nm和约510nm的吸收带，以及中心位于近红外的、延伸进入可见光谱的红色区域的谱带。因此，造成这些谱带的色彩中心对生长后原样的(as-grown)CVD金刚石的色彩有重大影响。这些谱带在天然金刚石或其它合成金刚石中不存在。从生长后原样的CVD金刚石抛光得到的宝石可以具有包括橙棕色和微粉棕色在内的所需色彩。当这样的金刚石在本发明的条件下被热处理或退火时，吸收带的相对强度可以以增强色彩的方式被改变，例如被除去或被降低或被增加。对色彩变化的贡献还可以来自通过破坏存在于生长后原样的金刚石中的缺陷所导致的色彩中心的形成，或来自改变缺陷的主要电荷状态的电荷转移过程的变化。因此，退火或热处理步骤可以将色彩中心的组合变为在生长后原样的CVD金刚石中不能产生的色彩组合，给出具有源自色彩中心的新组合的满意色彩的单晶CVD金刚石。如本领域的技术人员所知道的，诸如350nm和510nm之类的宽谱带可以在最大强度位置方面表现出细微变化，但这并不改变它们的本性。

附图简述

图1 在2400℃、大约8.0×10⁹Pa(80千巴)压力下退火4小时(a)之前和(b)之后所记录的样品Ex-4的UV可见光吸收光谱

图2 在1900℃、大约7.0×10⁹Pa(70千巴)压力下退火4小时(a)之前和(b)之后所记录的样品Ex-5的UV可见光吸收光谱图3 在1600℃、大约6.5×10⁹Pa(65千巴)压力下退火4小时(a)之前和(b)之后所记录的样品Ex-6的UV可见光吸收光谱

图4 由在1600℃、大约6.5×10⁹Pa(65千巴)压力下退火4小时(a)之前和(b)之后所记录的样品Ex-6的UV/可见光吸收光谱推导出的CIELAB a^*和b^*数值图

图5 由在1600℃、大约6.5×10⁹Pa(65千巴)压力下退火4小时(a)之前和(b)之后所记录的样品Ex-6的UV/可见光吸收光谱推导出的CIELAB L^*和C^*数值图

发明详述

本发明实现了在合适的和控制的热处理条件下着色的单晶CVD金刚石至另一种颜色的控制转化。所述单晶CVD金刚石优选为厚层状物形式，或从这种层状物切割或生产的片的形式。所述单晶CVD金刚石的厚层状物应具有高的品质，并优选通过如下方法制造：提供具有基本上没有晶体缺陷的表面的金刚石基质，提供源气体，使源气体解离，和允许在基本上没有晶体缺陷的表面上进行均相外延金刚石生长。按这种方式生长的CVD金刚石没有HPHT金刚石，特别是其中色彩不受单取代的氮所控制的HPHT金刚石所典型具有的夹杂物。

通常，所述方法在被添加到合成等离子体的氮的存在下进行。氮的存在在金刚石中产生棕色的色彩中心。当被以控制的方式加入时，氮充分地破坏金刚石的生长，以至于导致包括以非金刚石方式键合的碳的色彩中心的引入，同时给出由诸如X-射线拓扑图的X-射线技术判断具有好的单晶质量的金刚石。

对于高晶体质量的厚的单晶CVD金刚石的生产来说，重要的是生长发生在基本上没有晶体缺陷的金刚石表面上。在本发明的上下文中，缺陷主要是指位错和微裂缝，但也包括双晶间界、非固有地与搀杂氮原子有关的点缺陷、低角边界和任何其它延伸的对晶格的干扰。优选基质是低双折射Ia型天然金刚石、Ib或IIa型高压/高温合成金刚石或CVD合成的单晶金刚石。

在基本上没有缺陷的基质上生长的质量随层生长变厚和随缺陷结构的倍增而快速劣化，从而引起广泛的晶体劣化、形成孪晶和再成核。

在使用暴露缺陷的优化的等离子或化学蚀刻(称为暴露等离子蚀刻)，例如使用下述类型的短等离子蚀刻之后，通过光学评价可最容易地表征缺陷密度。可暴露两种类型的缺陷：

1)基质材料质量固有的那些缺陷。在选择的天然金刚石中，这些缺陷的密度可低至50/mm²，更典型的值为10²/mm²，但在其它金刚石中，这些缺陷的密度可以是10⁶/mm²或更大。

2)因抛光而产生的那些缺陷，包括位错结构和沿抛光线形成振痕的微裂缝。这些缺陷的密度可在样品上显著变化，典型的值为从约10²/mm²至抛光差的区域或样品上的大于10⁴/mm²。

优选的低缺陷密度是使得上述与缺陷有关的表面蚀刻特征的密度低于5×10³/mm²，和更优选低于10²/mm²。

由此，通过仔细制备基质，可使发生CVD生长的基质表面和表面下方的缺陷含量最小。在此，制备包括施加到来自采矿(在天然金刚石的情况下)或合成(在合成材料的情况下)材料上的任何过程，因为各步骤都可能影响材料内的、当基质制备完成时最终形成基质表面的平面上的缺陷密度。具体的加工步骤可包括常规的金刚石加工方法如机械锯解、研磨和抛光(在本申请中，特别地为产生低缺陷含量而优化)，和较不常规的技术如激光加工或离子植入和提出(lift off)技术、化学/机械抛光，以及液体和等离子体化学加工技术。另外，应当使表面R_Q(通过触针轮廓测定器测量的表面轮廓偏离平面的均方根偏差，优选测量超过0.08mm长)最小化，在任何等离子蚀刻之前的典型值不超过数纳米，即小于10nm。

使基质表面损伤最小化的一种具体方法包括，在将发生均相外延金刚石生长的表面上就地进行等离子蚀刻。原则上，这种蚀刻不必就地进行，也不必进行该蚀刻后立刻进行生长，但若就地进行蚀刻，则可实现最大的益处，因为它避免了进一步物理损伤或化学污染的任何危险。当生长工艺也是基于等离子体时，就地蚀刻通常也是最方便的。等离子蚀刻可使用与沉积或金刚石生长工艺相类似的条件，但在没有任何含碳的源气体存在下和通常在稍低的温度下进行，以更好地控制蚀刻速率。例如，它可包括一种或多种下述过程：

(i)氧气蚀刻，其主要使用氢气，及任选的少量Ar和所要求的少量氧气。典型的氧气蚀刻条件是：压力为50-450×10²Pa，蚀刻气体含有1-4％含量的氧，0-30％含量的氩气和平衡量的氢气，所有百分数为体积百分数，基质温度为600-1100℃(更典型地为800℃)，和典型的持续时间为3-60分钟。

(ii)氢气蚀刻，其与(i)相类似，但其中不含氧气。

(iii)可以使用不是仅仅基于氩气、氢气和氧气的可选择的蚀刻方法，例如使用卤素、其它惰性气体或氮气的那些蚀刻方法。

典型地，蚀刻包括氧气蚀刻，接着进行氢气蚀刻，然后通过引入碳源气体而直接将转入合成。选择蚀刻的时间/温度，以便能够除去残留的加工造成的表面损伤，和除去任何表面污染物，但同时没有形成高度粗糙的表面和没有沿延伸的缺陷方向(如位错)过度蚀刻，这种过度蚀刻会横断表面，进而引起深的凹陷。由于蚀刻是侵蚀性的，所以对这一阶段来说，尤其重要的是腔室设计和其组件材料的选择应当使得没有材料通过等离子体被转移到气相中或转移到基质表面上。氧气蚀刻之后的氢气蚀刻对晶体缺陷的专一性较低，它将由侵蚀性地进攻这类缺陷的氧气蚀刻所引起的棱角变圆，并提供对于随后的生长来说较光滑、较好的表面。

在其上发生CVD金刚石生长的金刚石基质的一个或多个表面优选是{100}，{110}，{113}或{111}表面。由于加工的限制，实际的样品表面取向可偏离这些理想取向最高达5°，在一些情况下可高达10°，尽管这不是理想的，因为它会不利地影响可重复性。

在本发明方法中，适当控制发生CVD生长的环境中的杂质含量也是重要的。更特别地，金刚石的生长必须在除了特意添加的氮或其它掺杂物以外基本上不含污染物的气氛存在下进行。氮的浓度应当控制到好于500份/十亿份(作为总气体体积的分子分数)，或气相内目标浓度的5％，无论哪一个是较大的，优选控制到好于300份/十亿份(作为总气体体积的分子分数)，或气相内目标浓度的3％，无论哪一个是较大的，和更优选控制到好于100份/十亿份(作为总气体体积的分子分数)，或气相内目标浓度的1％，无论哪一个是较大的。在低至100ppb的浓度下，在气相内绝对和相对氮浓度的测量要求复杂的监测设备，例如可通过例如气相色谱实现的监测设备。现描述这种方法的一个实例：

标准的气相色谱(GC)技术包括：使用被优化以获得最大流速和最小死体积的窄内径的样品管线，从所关心的点处提取气体样品物流，并使气体样品物流流经GC样品盘管，然后通到废气池。GC样品盘管是盘旋的管道的一部分，其具有固定的和已知的体积(对于标准大气压注射来说，典型地为1cm³)，GC样品盘管可从其样品管线位置切换到输送到气相色谱柱的载气(高纯He)管线。这样将已知体积的气体样品放置到进入柱内的气流中；在本领域中，该步骤称为样品注射。

注射的样品被载气携载经过第一个GC柱(用分子筛填充，该分子筛被优化以用于简单无机气体的分离)并部分分离，但高浓度的主要气体(如氢气、氩气)引起柱饱和，这使得例如氮气的完全分离困难。来自第一个柱的流出物的相关部分然后变成第二个柱的原料，从而避免大部分其它气体进入到第二个柱中，避免了柱饱和和使目标气体(氮气)能完全分离。该步骤称为“中心切割”。

使第二个柱的输出流流过放电离子化检测器(DID)，该检测器检测由于样品存在而引起的通过载气的漏泄电流的增加。通过由标准气体混合物校正的气体的停留时间进行化学结构鉴定。DID的响应在大于5个数量级的范围内是线性的，且通过使用含有将要检测物种的特殊校正气体混合物来校正，所述将要检测的物种浓度典型地在10-100ppm范围内，通过重量分析制备，然后由供应商来证实。可通过仔细的稀释实验验证DID的线性关系。目标含氮物种包括用作特意的掺杂物的气体种类(例如N₂、NH₃)，还包括可以来自大气污染的N₂，以及任何其它可能与测试条件有关的含氮物种。

如下面所述，气相色谱的这一已知技术已被进一步改进和开发以用于此应用：此处被分析的工艺典型地在50-500×10²Pa下操作。通常的GC操作使用比大气压高的源气体压力，以驱动气体流过样品管线。此处，通过在管线的废料端连接真空泵驱动样品，并在低于大气压下抽取样品。然而，在气体流动的同时，管道阻力可引起管线中显著的压降，这会影响校正和灵敏度。因此，在样品盘管与真空泵之间放置阀门，该阀门在样品注射之前关闭短的时间段，以便使样品盘管内的压力稳定，并通过压力计来测量。为了确保注射足够质量的样品气体，将样品盘管的容积扩大到约5cm³。取决于样品管线的设计，该技术可在低至约70×10²Pa的压力下有效操作。GC的校正取决于注射样品的质量，并且最大精确度可通过使用与进行分析的原料可获得的相同样品压力校正GC来获得。必须奉行非常高标准的真空和气体操作实践，以确保测量正确。

取样点可以在合成室的上游以表征输入气体，可以在腔室内以表征腔室环境，或者可以在腔室的下游。

源气体可以是本领域已知的任何源气体，并且含有含碳材料，所述含碳材料可解离产生自由基或其它活性物种。气体混合物通常还含有适于提供原子形式的氢或卤素的气体。

优选使用微波能量在反应器中进行源气体的解离，反应器的实例是本领域已知的。然而，应当使从反应器转移的任何杂质量最小化。可以使用微波系统，以确保等离子体远离除发生金刚石生长的基质表面及其固定物之外的所有表面。优选的固定材料的实例是：钼、钨、硅和碳化硅。优选的反应器腔室材料的实例是不锈钢、铝、铜、金和铂。

应当使用高的等离子体功率密度，这来自于高的微波功率(对于25-300mm的基材直径，典型地为3-60kW)和高的气体压力(50-500×10²Pa，优选100-450×10²Pa)。

采用上述条件，利用向气体流中添加0.1-500ppm的氮，可以生产具有棕颜色的、厚的、高质量的单晶CVD金刚石层状物。

然后，使所述厚的高质量的单晶CVD金刚石或其片经受热处理。所述的片可以例如呈宝石的形式。

现在将描述本发明的实施方案。以下表1列出了可在生长后原样的棕色单晶CVD金刚石中发现的吸收带的七种不同组合(称为情况1-7)。WO 03/052177A1中详细讨论了棕色CVD金刚石的光谱分解为这些吸收带。

在270nm的特征存在于每种情况中，它涉及在金刚石晶格内取代位置上的孤立的氮杂质。众所周知，缔合吸收扩展进入吸收光谱的可见光区，并给出Ib型金刚石的独特的黄色色调。

情况1：斜坡特征表明从红色至紫外区的吸收的全面升高。这一特征在很多单晶CVD金刚石层状物的光谱中被观察到，并且是不希望的，因为其单独或与孤立的取代氮相组合，给出暗棕色的色调。

情况2：大致在350nm和510nm的宽谱带据信与CVD金刚石结构的局部破坏有关，这种局部破坏给出了带隙内的能态。在单晶CVD金刚石的生长后原样的样品中，这些特征往往同时出现。与孤立的取代氮相结合，它们可以给出从橙棕至粉棕范围的色调，这取决于三种贡献的相对强度。

情况3：棕色的单晶CVD金刚石也可以表现出中心位于光谱的近红外区的宽谱带，并且当其合理地强时，此谱带的短波一侧可导致可见光光谱的红色端的显著吸收。这一特征自己将引起蓝色的色调。当与孤立的取代氮一同被观看时，所得到的光谱两端的吸收给金刚石带来绿色的色调。

情况4：很多棕色的单晶CVD金刚石层状物的光谱可以重新构建成孤立的取代氮、斜坡和350/510nm谱带贡献的总和。这种组合往往给出橙棕色的色调。

情况5、6和7覆盖了以上所讨论的吸收特征的三种其它组合。取决于各组成吸收特征的相对强度，这些组合可以给出一系列不同的棕色色调。

表1

	270nm	斜坡	350nm	510nm	近红外谱带	得到的颜色
	270nm	斜坡	350nm	510nm	近红外谱带	得到的颜色	情况1	是	是	否	否	否	暗棕色
情况2	是	否	是	是	否	微粉棕色	情况1	是	是	否	否	否	暗棕色
情况2	是	否	是	是	否	微粉棕色	情况3	是	否	否	否	是	绿色
情况4	是	是	是	是	否	橙棕色	情况3	是	否	否	否	是	绿色
情况4	是	是	是	是	否	橙棕色	情况5	是	是	否	否	是	棕色
情况6	是	否	是	是	是	棕色	情况5	是	是	否	否	是	棕色
情况6	是	否	是	是	是	棕色	情况7	是	是	是	是	是	棕色

在各种条件下对棕色的单晶CVD金刚石退火，并观察其结果。

据发现，通过在1400-1600℃、在大气压下以及惰性气氛中处理4小时，可以将斜坡和350nm的谱带基本上除去。通过在1600-1700℃、在金刚石稳定化压力下退火4小时，也可以得到相似的结果。这些处理可单独对金刚石的色彩产生显著影响，例如在表2中所示的情况1，2，4，5，6和7中。

表2

	开始的颜色	最终的颜色
	开始的颜色	最终的颜色	情况1	暗棕色	浅棕色/接近无色
情况2	微粉棕色	微粉棕色至微棕粉红色	情况1	暗棕色	浅棕色/接近无色
情况2	微粉棕色	微粉棕色至微棕粉红色	情况4	橙棕色	粉棕色至微棕粉红色
情况5	棕色	绿色	情况4	橙棕色	粉棕色至微棕粉红色
情况5	棕色	绿色	情况6	棕色	浅棕色
情况7	棕色	浅棕色	情况6	棕色	浅棕色

在此温度范围内，与带负电荷的氮-空穴中心(其零声子线在637nm处)有关的吸收也可能大幅增加。缔合吸收(峰值在约550nm)的增加往往使样品看起来颜色更粉些。这种增加的吸收可以是由于使更多氮-空穴中心处于带负电荷状态的电荷转移的改变造成的。它可以是由于释放的空穴在孤立的氮上被扑获或更多复合缺陷的离解而导致的另外的氮-空穴中心的形成所引起的。还可能存在从负的氮空穴中心激发的发光的增加，在极端情况下，这可以影响金刚石的表观色彩。

由此，通过选择适合的热处理条件，可以生产具有从粉红色至绿色的鲜艳色彩的着色的单晶CVD金刚石。

据发现，在1800℃、在金刚石稳定压力条件下退火4小时，导致510nm的谱带和近红外谱带稍有减少，在考虑的情况下给出了如表3中所示的色彩变化。

表3

	开始的颜色	最终的颜色
	开始的颜色	最终的颜色	情况1	暗棕色	接近无色
情况2	微粉棕色	粉棕色至微棕粉红色	情况1	暗棕色	接近无色
情况2	微粉棕色	粉棕色至微棕粉红色	情况3	绿色	不太强烈的绿色
情况4	橙棕色	微粉红色	情况3	绿色	不太强烈的绿色
情况4	橙棕色	微粉红色	情况5	棕色	微绿色
情况6	棕色	浅棕色	情况5	棕色	微绿色
情况6	棕色	浅棕色	情况7	棕色	浅棕色

据发现，在1900℃或更高温度下、在金刚石稳定化压力下退火4小时，除去了510nm的谱带和近红外谱带，在所考虑的情况下给出了如表4中所示的色彩变化。

表4

	开始的颜色	最终的颜色
	开始的颜色	最终的颜色	情况1	暗棕色	接近无色
情况2	微粉棕色	接近无色	情况1	暗棕色	接近无色
情况2	微粉棕色	接近无色	情况3	绿色	接近无色
情况4	橙棕色	接近无色	情况3	绿色	接近无色
情况4	橙棕色	接近无色	情况5	棕色	接近无色
情况6	棕色	接近无色	情况5	棕色	接近无色
情况6	棕色	接近无色	情况7	棕色	接近无色

在这些退火条件下，所述的氮-空穴中心可以被离解成孤立的取代氮和迁移开的空穴。因此在此温度或更高温度下退火处理后，氮空穴中心更少地影响(以前为棕色的)金刚石的颜色。在这样的处理后，这种金刚石确实显示出强的绿色发光，这种发光可在某些观看和照明条件下给其带来微绿色的色调。

当用325nm的HeCd激光灯激发时，已在足够高的温度下退火以基本离解生长过程中形成的氮-空穴中心的棕色CVD金刚石的光致发光光谱主要是在450和550nm之间的光谱区内的谱带。在最高温度下退火后，可观察到H3发光(其零声子线在503nm处)，也可检测到N3发光(其零声子线在415nm处)。使用以上带隙的紫外光或电子束激发，对于最高温度下的退火，主要的可见光发光存在着随退火时间的增加而从绿色变为蓝色的趋势。

在已退火的(以前为棕色的)单晶CVD金刚石的光谱中存在其它的光致发光线。例如，用785nm的激光可方便地激发出约851nm处的光致发光线。虽然生长后原样的棕色CVD金刚石没有表现出来，但对于在低至1200℃温度下退火的棕色CVD金刚石，已检测出了这种线。这种光致发光线从未在任何其它种类的金刚石中见到，因此似乎是已在可以改变其颜色的条件下退火的棕色CVD金刚石所特有的。

使用Nd:YAG激光激发(1064nm)，可以观察到在1263nm、1274nm和1281nm的光致发光线。这些光致发光线也仅在已在可以改变其颜色的条件下退火的单晶棕色CVD金刚石上观察到。

可以通过退火处理而使其颜色显著改善的生长后原样的棕色单晶CVD金刚石，可以在光谱的2800-3000cm^-1区显示出与碳-氢键的拉伸模式有关的红外吸收谱带。高温退火处理通常可改变这些谱带，但不能完全除去它们，而在天然或HPHT合成金刚石的吸收光谱中通常看不到这些谱带。

某些天然金刚石在3107cm^-1显示了与氢相关的吸收线，这些吸收线从未曾在未处理的CVD金刚石的光谱中见到。在高于约1800℃温度下对棕色单晶CVD金刚石的退火可以引起与氢相关的缺陷的形成，所述缺陷是3107cm^-1处的吸收线的原因。这种缺陷极为稳定，并且可以在在极高温度下退火的样品的光谱中观察到。因此，对已知为CVD的材料来说，观察到3107cm^-1处的吸收线表明该材料已按照本发明的方法退火。还有，观察到3107cm^-1处的吸收线以及碳氢拉伸特征特别表明所述金刚石是已进行了某一种生长后高温退火处理的CVD金刚石，所述退火处理按照这里所描述的方式改变其颜色。

除了它们可以产生的色彩上的任何改良外，诸如以上所描述的那些光学特征有助于提供金刚石样品的先前历史的证据。本领域的技术人员可理解本说明书中所述的光学特征存在与否的判定方法。

对于多晶CVD金刚石，空隙可导致较短波长的降低的光透过率。本发明的单晶CVD金刚石无论是在退火前或退火后都不含空隙。对这种金刚石样品的截面和俯视方向用高放大倍率(×1000)的光学显微镜进行仔细研究。没有观察到可能是空隙的东西。因此，光学显微镜为空隙的尺寸设定了约为200nm的上限。

透射电子显微镜(TEM)允许以亚纳米分辨率观察金刚石的薄切片。为了研究延伸缺陷的存在造成着色的可能性，使用TEM对几片未退火的棕色CVD金刚石的TEM切片进行成像。为了产生均匀的颜色，这种缺陷必须很好地分布于整个金刚石中，并具有相当大的密度，从而可通过使用TEM来检测。这样，这种分布明显不同于通过诸如X-射线拓扑图之类的技术观察到的位错或位错束的分布，其中位错按生长方向贯穿整个金刚石，并源自用于CVD生长的基质上的基质缺陷或颗粒或其它的表面缺陷。未退火的棕色CVD金刚石的几百平方微米的图像没有暴露可能对应于空隙的任何东西。只有在极暗棕色的金刚石样品中，才可以根本上看到呈位错和层积错误缺陷形式的任何延伸的缺陷。在浅和中等棕色样品的情况下，在通过TEM探索的区域内根本观察不到这样的延伸的缺陷。

色度坐标可被用来作为说明由本发明的方法生产的单晶CVD金刚石的鲜艳色彩与其它类型或形式的金刚石中出现的那些色彩之间差异的量度标准或方法。

在本发明的退火的或热处理的单晶CVD金刚石中，可感知的色彩是重要的，并且因为色度坐标比透射光谱更直接地与可感知的色彩相关，色度坐标的使用将有助于显示出这种金刚石的新颖特征。本发明的CVD金刚石吸收光谱中的差异导致可感知的颜色，该颜色可能不同于以前其它CVD金刚石或HPHT合成金刚石所显示的那些。

确实，美是在旁观者眼中的，而色调可能涉及个人喜好的事物。另一方面，钻石工业认为，粉红色和绿色的金刚石比棕色的金刚石有更高的价值，且随着改性色影响的降低，价值甚至更高。如果粉红色或绿色金刚石具有给定饱和度下的高亮度，那么就更容易在巧妙抛光的宝石中产生需要的颜色。如果具有相同色调和饱和度的抛光金刚石具有低的亮度，则它较不容易带来令人满意的色彩。

此外，在光学和电磁波传输中存在应用，其中例如要求窗口具有某种吸收特征。这可以仅仅是低的全吸收，或在某些波段中的低吸收，或者它可以包括用于特征吸收峰的需要，例如对于通过量热手段测量辐照的应用。因此，本发明的金刚石在光学应用中有特殊用途。光学应用可以不限于可见光区，而是可延伸至紫外和红外光区，以及以外。特别地，可以预期这些材料在微波区也有应用。

CIE L^*a^*b^*色度坐标的推导

一个物体被感知的颜色取决于该物体的透射/吸收光谱、光源的光谱功率分布和观察者眼睛的响应曲线。在本专利申请中引用的CIELAB色度坐标按以下所述的方式推导。使用标准的D65照射光谱和眼睛的标准(红色、绿色和蓝色)响应曲线(G.Wyszecki and W.S.Stiles，JohnWiley，New York-London-Sydney，1967)，使用以下关系式，在350nm至800nm之间以1nm的数据间隔，由它的透射光谱推导出平行侧面的金刚石片的CIE L^*a^*b^*色度坐标：

S_λ＝波长λ处的透光度

L_λ＝光照的光谱功率分布

x_λ＝眼睛的红色响应函数

y_λ＝眼睛的绿色响应函数

z_λ＝眼睛的蓝色响应函数

X＝∑_λ[S_λx_λL_λ]/Y₀

Y＝∑_λ[S_λy_λL_λ]/Y₀

Z＝∑_λ[S_λz_λL_λ]/Y₀

其中Y₀＝∑_λy_λL_λ

L^*＝116(Y/Y₀)^1/3-16＝亮度(对于Y/Y₀＞0.008856)

a^*＝500[(X/X₀)^1/3-(Y/Y₀)^1/3](对于X/X₀＞0.008856，Y/Y₀＞0.008856)

b^*＝200[(Y/Y₀)^1/3-(Z/Z₀)^1/3](对于Z/Z₀＞0.008856)

C^*＝(a^*2+b^*2)^1/2＝饱和度

h_ab＝arctan(b^*/a^*)＝色调角

Y/Y₀、X/X₀和Z/Z₀在所述范围以外时，必须使用这些方程式的改良的变体。在Commission Internationale de L’Eclairage做的技术报告(Colorimetry(1986))中给出了所述改良的变体。

通常在图表上绘出a^*和b^*坐标，其中a^*相应于x轴，b^*相应于y轴。a^*和b^*的正值分别相应于色调的红色和黄色成分。a^*和b^*的负值分别相应于绿色和蓝色成分。这样图表的正象限覆盖从黄色经橙色到红色的色调，其中由距原点的距离给出饱和度(C^*)。

有可能预测具有给定吸收系数光谱的金刚石的a^*b^*坐标如何随光程长度的变化而变化。为了进行这项工作，必须首先从所测量的吸收光谱中减去反射损失。然后按比例改变吸光度以获得不同的路径长度，然后再添加上反射损失。接着将吸收光谱转化成透射光谱，透射光谱被用来推导新厚度的CIELAB坐标。按照这种方式，可模拟色调、饱和度和亮度与光程长度的关系，以理解每单位厚度具有给定吸收性能的金刚石的色彩如何根据光程长度变化。

L^*即亮度，形成CIELAB色空间的第三维。了解具有特定光吸收性能的金刚石在光程长度改变时亮度和饱和度变化的方式是重要的。这可在色调图上来说明，其中L^*沿y轴作图，C^*沿x轴作图(如图4)。也可使用前一段落所述的方法预测具有给定吸收系数光谱的金刚石的L^*C^*坐标如何根据光程长度变化。

可按照以下的方式定义亮度的宽的标尺：亮：95＞L^*＞65，中等：65＞L^*＞35，暗：35＞L^*＞05。

C^*(饱和度)数值可分为10C^*单位的饱和度范围，并指定为以下所述的描述性术语。

0-10 弱

10-20 弱到中等

20-30 中等

30-40 中等到强

40-50 强

50-60 强到非常强

60-70 非常强

70-80+ 非常非常强

实施例1

在HPHT合成金刚石基质上生长3.2mm厚的CVD层状物。按照WO01/96634中所描述的方法准备在其上将进行生长的基质表面。

用适合于金刚石的高温铜焊将此基质固定到钨基质上。将此基质引入微波反应器中，采用蚀刻和生长循环以制备基质表面，然后开始生长。更具体而言：

1)反应器预先装有使用净化器的位置，降低输入气体物流(不包括氮气掺杂物线)内氮气的含量到低于80ppb，所述含量由上述改进的GC法确定。

2)在235×10²Pa以及840℃的基质温度下，使用30/150/1200sccm(标准立方厘米/秒)的O₂/Ar/H₂，进行就地氧等离子蚀刻。

3)通过从气流中除去氧气，不间断地将氧气蚀刻转换为850℃下的氢气蚀刻。

4)通过添加碳源，在此例中为32sccm的甲烷，将氢气蚀刻转入到生长工艺。此阶段的生长温度为890℃。

5)以10ppm的浓度将氮气(N₂)引入生长工艺中。

6)当生长期完成时，从反应器中取出基质，并从基质上取下CVD层状物。

据从吸收光谱中270nm处的吸收特征估计，单取代氮在此层状物中的浓度为约0.40ppm。吸收光谱还包含中心在约360nm和520nm的宽谱带，和从红色到紫外的吸收系数的全面升高(斜坡)。

所述层状物被抛光为0.55克拉的圆形多面的切割宝石，并被评级为鲜艳的亮棕色、VS1。然后在1700℃以及约6.5×10⁹Pa(65千巴)的金刚石稳定化压力下使它退火4小时。在没有经过进一步加工的情况下，它被评级为鲜艳的亮粉棕色、VS1。

将所述圆形切割宝石的底面扩大，以便记录定量吸收光谱。该光谱表明单取代氮的浓度没有显著改变。吸收光谱中在360nm处的谱带和斜坡的强度大为降低，但是在约520nm处的谱带大致上没有变化。

在77K记录的吸收光谱显示了来自负的氮-空穴中心的、在637nm的弱线(带有缔合的电子振动谱带)。光致发光光谱主要是来自零声子线在575nm和637nm的氮-空穴缺陷的发光。退火前后在77K记录的用514nm激发的拉曼归一化光致发光光谱表明，退火处理导致来自氮-空穴中心的光致发光增加，并且这种光致发光增加外加缔合吸收的增加可能对可感知的色彩的变化有贡献。

实施例2

采用与实施例1所述类似的方法，在HPHT合成金刚石基质上生长3.1mm厚的CVD层状物。据从吸收光谱中270nm处的吸收强度估计，单取代氮在此样品中的浓度为约0.5ppm。

所述层状物被抛光为0.49克拉的圆形多面宝石，并被评级为亮棕色、VS1。然后在2100℃以及约7.5×10⁹Pa(75千巴)的金刚石稳定化压力下使它退火24小时。再抛光至0.44克拉后，它被评级为鲜艳的亮微灰绿色、VS1。

然后将所述圆形宝石的底面扩大，以便记录吸收光谱。所述吸收光谱本身不足以解释宝石的绿色色调。光致发光光谱(用HeCd激光或氙灯激发)显示出强的源自由退火工艺形成的缺陷(H3和其它没有确认的缺陷)的绿色发光。在此例中，所感知的绿色色调主要是绿色的光致发光的结果，并且其对观察条件的依赖性与此推论一致。退火前后在77K记录的具有514nm激发的拉曼归一化光致发光光谱表明，退火处理导致来自氮-空穴中心的光致发光减少，这种吸收外加缔合吸收的减少可对可感知色彩的变化有贡献。

实施例3

采用与实施例1所述类似的方法，在HPHT合成金刚石基质上生长3.10mm厚的CVD层状物。据从吸收光谱中270nm特征的强度估计，单取代氮在此样品中的浓度为约0.5ppm。所述吸收光谱还包含中心在约360nm和515nm的宽谱带，和从红色到紫外的吸收系数的全面升高(斜坡)。

所述层状物被抛光为0.51克拉的圆形多面宝石，并被评级为亮棕色、I3。然后在1700℃以及约6.5×10⁹Pa(65千巴)的金刚石稳定化压力下使它退火24小时。在没有经过进一步加工的情况下，它被评级为亮微橙粉红色、I3。

然后将所述圆形多面宝石的底面扩大，以便记录吸收光谱。此光谱显示单取代氮的浓度没有显著变化。吸收光谱中360nm处的谱带以及斜坡(从红色到紫外)的强度大为降低，但是在约515nm处的谱带基本上没有变化。光致发光光谱主要是零声子线在575nm和637nm的、来自氮-空穴缺陷的光致发光。退火前后在77K记录的用514nm激发的拉曼归一化光致发光光谱表明，退火处理对氮-空穴发光的强度没有太大影响。可感知的色彩的变化主要是吸收光谱中的变化的结果。

实施例4

采用与实施例1所述类似的方法，在{100}金刚石基质上生长单晶CVD金刚石至2mm厚。气体混合物包含2.5ppm的氮。除去基质，并生产出4.5mm×4.0mm×2mm的抛光CVD样品Ex-4。

此样品为棕色。其紫外/可见光吸收光谱被标记为图1中的(a)。除了与单取代氮有关的吸收特征外，所述光谱包含大致在515nm和365nm的宽谱带。同时还存在着向更短波长方向吸收系数的全面增加。

然后，将所述CVD金刚石样品在2400℃以及约8.0×10⁹Pa(80千巴)的金刚石稳定化压力下退火4小时。此处理后，它为接近无色。其紫外/可见光吸收光谱被标记图1中的(b)。剩下的吸收与含约1.1ppm单取代位置上的氮的1b型光谱的形状吻合。退火处理除去了生长后原样样品所显示的附加的吸收。

按照前面所讨论的方法，从此样品退火前后所测量的吸收光谱推导出所述金刚石的CIELAB坐标。结果列表如下。所述的退火处理大大降低了b^*坐标和饱和度，同时增加了亮度。

	退火前	退火后
	退火前	退火后	a^*	2.8	-0.9
b^*	12.0	1.9	a^*	2.8	-0.9
b^*	12.0	1.9	C^*	12.3	2.1
L^*	72	86	C^*	12.3	2.1

实施例5

采用与实施例1所述类似的方法，在{100}金刚石基质上生长单晶CVD金刚石至3mm厚。压力是250×10²Pa，基质温度为815℃，气体混合物包含7.5ppm的氮。除去基质，并生产3mm×2mm×0.86mm的抛光的横截CVD金刚石切片Ex-5。

此样品为微橙棕色。其紫外/可见光吸收光谱被标记为图2中的(a)。除了与单取代氮有关的吸收特征外，它包含有大致在515nm和365nm的宽谱带。同时还存在着向更短波长方向吸收系数的全面增加。

然后，所述样品在1900℃以及约7.0×10⁹Pa(70千巴)的金刚石稳定化压力下退火4小时。在此处理后，它为接近无色。其紫外/可见光吸收光谱被标记为图2中的(b)。剩下的吸收与含约2.2ppm的单取代位置的氮的1b型光谱的形状吻合相当好。因此，退火处理除去了生长后原样样品所显示的附加的吸收，并使其接近无色。

	退火前	退火后
	退火前	退火后	a^*	4.6	-0.5
b^*	16.8	3.0	a^*	4.6	-0.5
b^*	16.8	3.0	C^*	17.4	3.0
L^*	58.9	87	C^*	17.4	3.0

实施例6

采用与实施例1所述类似的方法，在{100}金刚石基质上生长单晶CVD金刚石至1.8mm厚。压力是257×10²Pa，基质温度为812℃，气体混合物包含3.8ppm的氮。除去基质，测量所得到的棕色金刚石片Ex-6的紫外/可见光吸收光谱(标记为图3中的(a))。

然后，将所述样品在1600℃以及约为6.5×10⁹Pa(65千巴)的金刚石稳定化压力下退火4小时。在此处理后，其色彩的主要成分为粉红色。退火后的样品Ex-6的紫外/可见光吸收光谱被标记图3中的(b)。此光谱由与浓度为约1.2ppm的单取代氮有关的吸收、中心在约515nm的谱带以及紫外光区中的一些残余吸收所构成。所述退火处理除去了中心在约365nm的谱带，且大大降低了向更短波方向吸收的全面升高。

使用带CCD检测器和配有奥林帕斯BH-2显微镜(10倍的物镜)的Renishaw拉曼显微镜，在室温下记录退火处理前后用785nm激光激发的拉曼/光致发光光谱。结果发现，所述退火处理在光谱的近红外区引入了一系列的光致发光线。这些线包括一个在约851nm的线，和两个在约816nm和825nm的更宽的线。

按照前面所讨论的方法，从此样品退火前后所测量的吸收光谱推导出所述金刚石的CIELAB坐标。结果列表如下。按照前面所描述的方法，可将色调、饱和度和亮度与光程长度的关系建立模型，以理解采用不同光程长度的生长后原样的金刚石及已退火金刚石可实现的色彩。结果在图4和5中示出，生长后原样的和退火的金刚石的模型分别标记为(a)和(b)。在图4的光谱(a)中还示出了测量曲线上任意点(a^*，b^*)的色调角(h_ab)的方法。

	退火前	退火后
	退火前	退火后	a^*	4.0	4.4
b^*	14.5	4.8	a^*	4.0	4.4
b^*	14.5	4.8	C^*	15.0	6.5
L^*	72	81	C^*	15.0	6.5
L^*	72	81	色调角(度)	75	47

实施例7

按照与实施例1所述类似的方法，在1b型HPHT合成金刚石基质上生长2.84mm厚的CVD金刚石层状物。生长条件包括压力为330×10²Pa，基质温度为880℃，加入的氮为24ppm以及42/25/600sccm(标准立方厘米/秒)的CH₄/Ar/H₂。

除掉基质，所得到的CVD层状物被抛光成为1.04克拉的矩形切割的CVD宝石，其被专业的钻石评级师鉴定为具有鲜艳的暗橙棕色，质量等级为SI1。

在1600℃以及约6.5×10⁹Pa(65千巴)的金刚石稳定化压力下使宝石退火4小时。在此退火处理后，再经相同的钻石评级师鉴定该宝石，它被鉴定为具有鲜艳的强烈的微棕粉红色，质量等级为SI1。

实施例8

按照与实施例1所述类似的方法，在{100}HPHT合成金刚石基质上生长1.3mm厚的、具有非常暗的棕色颜色的CVD层状物。生长条件包括压力为330×10²Pa，基质温度为780℃，加入的¹⁵N₂为46ppm以及30/25/300sccm(标准立方厘米/秒)的CH₄/Ar/H₂。所使用的氮同位素为¹⁵N，由于质量效应，其可以有一些与含N缺陷有关的线代替通常用¹⁴N得到的值。除去基质，并从该CVD层状物生产出用于退火试验的抛光切片。

处理条件如下列出：

切片	温度(℃)	时间	压力	最终颜色
切片	温度(℃)	时间	压力	最终颜色	1	1800	4小时	6.5×10⁹Pa	微绿色
2	1700	4小时	6.5×10⁹Pa	微橙粉红色	1	1800	4小时	6.5×10⁹Pa	微绿色
2	1700	4小时	6.5×10⁹Pa	微橙粉红色	3	1500	4小时	大气压	微橙棕色
4	1400	4小时	大气压	棕色	3	1500	4小时	大气压	微橙棕色
4	1400	4小时	大气压	棕色	5	1200	4小时	大气压	棕色

所有的退火的切片，即使是在大气压(在氩气中)和在1200℃、1400℃和1500℃下退火的那些都显示出在光谱的可见光区中透射率的显著增加，它们的亮度也相应增加。样品的吸收光谱显示出如下表中详细列出的各个线。在第一个表中，描述(强、中等、弱、非常弱)给出了光谱中特征相对大小的大致概念。在没有观察到相关特征的时候不给出描述。在第二个表中，“是”表示观察到了相关特征。

从这些表可以看出，通过本发明的方法生长和退火的金刚石可以显示出在生长后原样CVD金刚石中不曾见到的吸收线。这些线中的许多以前在以任何其它方法生产的金刚石中都不曾见到过，并且似乎是由本发明的方法生产的金刚石所特有的。最明显的实例在表中以星号标出。在光致发光中也可以见到很多的这种线。

波长(纳米)	生长后原样	1200℃	1400℃	1500℃	1700℃	1800℃
波长(纳米)	生长后原样	1200℃	1400℃	1500℃	1700℃	1800℃	270nm谱带	强	强	强	强	强	强
365nm谱带	强	强					270nm谱带	强	强	强	强	强	强
365nm谱带	强	强					503			弱	弱	弱	弱
510nm谱带	中等	中等	中等	中等	中等	中等	503			弱	弱	弱	弱
510nm谱带	中等	中等	中等	中等	中等	中等	512	非常弱	中等	弱
553	弱	强	中等	非常弱			512	非常弱	中等	弱
553	弱	强	中等	非常弱			597	中等	中等	非常弱
624	中等	中等					597	中等	中等	非常弱
624	中等	中等					637	弱	弱	中等	弱	中等	非常弱
667^*		非常弱	中等	弱	弱	非常弱	637	弱	弱	中等	弱	中等	非常弱
667^*		非常弱	中等	弱	弱	非常弱	684^*			弱	弱	弱	非常弱
713	非常弱	中等	中等	中等	弱		684^*			弱	弱	弱	非常弱
713	非常弱	中等	中等	中等	弱		781^*			中等	中等	中等	弱
851^*		非常弱	弱	中等	强	强	781^*			中等	中等	中等	弱
851^*		非常弱	弱	中等	强	强	1000nm谱带	强	强	强	强	强	中等
1263^*				中等	中等	中等	1000nm谱带	强	强	强	强	强	中等
1263^*				中等	中等	中等	1281^*				中等	中等	中等
1359	强	强	强	中等	弱	弱	1281^*				中等	中等	中等
1359	强	强	强	中等	弱	弱	1556	中等	中等	中等	弱	弱	非常弱

波数(cm^-1)	生长后原样	1200℃	1400℃	1500℃	1700℃	1800℃
波数(cm^-1)	生长后原样	1200℃	1400℃	1500℃	1700℃	1800℃	1332	是	是	是	是	是	是
1340^*			是	是	是	是	1332	是	是	是	是	是	是
1340^*			是	是	是	是	1344	是	是	是	是	是	是
1353	是	是	是	是	是	是	1344	是	是	是	是	是	是
1353	是	是	是	是	是	是	1362	是	是	是	是	是	是
1371	是	是	是	是	是	是	1362	是	是	是	是	是	是
1371	是	是	是	是	是	是	1374^*					是	是
1378^*					是	是	1374^*					是	是
1378^*					是	是	1384^*					是	是
1396^*				是	是	是	1384^*					是	是
1396^*				是	是	是	1405					是	是
1453^*					是	是	1405					是	是
1453^*					是	是	2695	是	是	是	是	是	是
2727	是	是	是	是	是	是	2695	是	是	是	是	是	是
2727	是	是	是	是	是	是	2807	是	是	是	是	是	是
普通CH模式	是	是	是	是	是	是	2807	是	是	是	是	是	是
普通CH模式	是	是	是	是	是	是	2949		是	是	是	是	是
3031		是	是	是	是	是	2949		是	是	是	是	是
3031		是	是	是	是	是	3054	是	是	是	是	是
3107						是	3054	是	是	是	是	是
3107						是	3124	是	是	是	是	是	是
3310^*				是	是	是	3124	是	是	是	是	是	是
3310^*				是	是	是	3323	是
4677^*				是	是	是	3323	是

Claims

1.一种生产具有需要色彩的单晶CVD金刚石的方法，该方法包括如下步骤：提供着色的单晶CVD金刚石，和在适合于产生所需色彩的条件下热处理所述的金刚石。

2.权利要求1的方法，其中所述单晶CVD金刚石是层状物的形式。

3.权利要求2的方法，其中所述单晶CVD金刚石层状物的厚度为大于1mm。

4.权利要求2或3的方法，其中所述单晶CVD金刚石层状物在其整个厚度上具有均匀的晶体质量。

5.权利要求2至4中任何一项的方法，其中所述单晶CVD金刚石是一片所述层状物的形式。

6.权利要求5的方法，其中所述单晶CVD金刚石的片是抛光宝石。

7.权利要求6的方法，其中所述宝石具有三个正交的维度，每个维度都超过1mm。

8.前述任何一项权利要求的方法，其中所述单晶CVD金刚石具有0.05-50ppm的固体金刚石中的氮浓度。

9.权利要求8的方法，其中所述范围的低限为0.1ppm。

10.权利要求8的方法，其中所述范围的低限为0.2ppm。

11.权利要求8的方法，其中所述范围的低限为0.3ppm。

12.权利要求8至11任何一项的方法，其中所述范围的高限为30ppm。

13.权利要求8至11任何一项的方法，其中所述范围的高限为20ppm。

14.权利要求8至11任何一项的方法，其中所述范围的高限为10ppm。

15.前述任何一项权利要求的方法，其中所述CVD金刚石在使用其中氮浓度为0.5ppm-500ppm的气相的合成方法中生产。

16.权利要求15的方法，其中所述气相中的氮浓度为1ppm-100ppm。

17.权利要求15的方法，其中所述气相中的氮浓度为2ppm-30ppm。

18.前述任何一项权利要求的方法，其中所述CVD金刚石的主色在热处理后不是棕色。

19.前述任何一项权利要求的方法，其中所述CVD金刚石的颜色在热处理后为粉红色-绿色。

20.权利要求19的方法，其中所述CVD金刚石的颜色在热处理后为粉红色。

21.权利要求19的方法，其中所述CVD金刚石的颜色在热处理后为鲜艳的粉红色。

22.权利要求19的方法，其中所述CVD金刚石的颜色在热处理后为绿色。

23.权利要求19的方法，其中所述CVD金刚石的颜色在热处理后为鲜艳的绿色。

24.权利要求1至18任何一项的方法，其中所述CVD金刚石在热处理后为接近无色。

25.权利要求1至18任何一项的方法，其中所述CVD金刚石在热处理后为无色。

26.权利要求1至21任何一项的方法，其中所述CVD金刚石在热处理后的色调角小于65度。

27.权利要求1至21任何一项的方法，其中所述CVD金刚石在退火后的色调角小于60度。

28.权利要求1至21任何一项的方法，其中所述CVD金刚石在退火后的色调角小于55度。

29.权利要求1至21任何一项的方法，其中所述CVD金刚石在退火后的色调角小于50度。

30.权利要求1至25任何一项的方法，其中由热处理后的金刚石生产的1mm厚平行侧面的层状物具有在0≤b^*≤8的范围内的CIELab b^*坐标。

31.权利要求1至25任何一项的方法，其中由热处理后的金刚石生产的1mm厚平行侧面的层状物具有在0≤b^*≤4的范围内的CIELab b^*坐标。

32.权利要求1至25任何一项的方法，其中由热处理后的金刚石生产的1mm厚平行侧面的层状物具有在0≤b^*≤2的范围内的CIELab b^*坐标。

33.权利要求1至25任何一项的方法，其中由热处理后的金刚石生产的1mm厚平行侧面的层状物具有在0≤b^*≤1的范围内的CIELab b^*坐标。

34.权利要求1至20、22、24和25任何一项的方法，其中由热处理后的金刚石生产的1mm厚平行侧面的层状物具有小于10的饱和度(C^*)。

35.权利要求1至20、22、24和25任何一项的方法，其中由热处理后的金刚石生产的1mm厚平行侧面的层状物具有小于5的饱和度(C^*)。

36.权利要求1至20、22、24和25任何一项的方法，其中由热处理后的金刚石生产的1mm厚平行侧面的层状物具有小于2的饱和度(C^*)。

37.前述任何一项权利要求的方法，其中所述的热处理在适合于增加、改变、减少或除去对色彩有贡献的吸收谱带或其它成分的条件下进行。

38.前述任何一项权利要求的方法，其中所述的热处理在适合于降低导致在光谱的宽范围内吸收的缺陷的浓度的条件下进行。

39.前述任何一项权利要求的方法，其中所述的单晶CVD金刚石具有中心位于约350nm的吸收带，而所述热处理在适于以提高金刚石色彩的方式改变所述吸收带的条件下进行。

40.前述任何一项权利要求的方法，其中所述的单晶CVD金刚石具有中心位于约510nm的吸收带，而所述热处理在适于以提高金刚石色彩的方式改变所述吸收带的条件下进行。

41.权利要求39或40的方法，其中吸收带的改变为减少或除去所述的吸收带。

42.前述任何一项权利要求的方法，其中所述的单晶CVD金刚石具有中心位于近红外，并延伸到可见光光谱红色区域的吸收带，而所述热处理在适于以提高金刚石色彩的方式改变所述吸收带的条件下进行。

43.权利要求42的方法，其中吸收带的改变为降低或提高所述谱带的强度。

44.前述任何一项权利要求的方法，其中所述的热处理在1200℃至2500℃的温度范围内，在金刚石稳定化压力下，或者在惰性或稳定化气氛中进行。

45.权利要求44的方法，其中所述的热处理在至少1600℃的温度，在金刚石稳定化压力下进行。

46.权利要求45的方法，其中所述的热处理在1600-1700℃的温度，在金刚石稳定化压力下进行。

47.权利要求44的方法，其中所述的热处理在不超过1900℃的温度下，在石墨稳定区中的压力下，在惰性或稳定化气氛中进行。

48.权利要求44的方法，其中所述的热处理在不超过1800℃的温度下，在石墨稳定区中的压力下，在惰性或稳定化气氛中进行。

49.权利要求44的方法，其中所述的热处理在不超过1600℃的温度下，在石墨稳定区中的压力下，在惰性或稳定化气氛中进行。

50.权利要求47至49任何一项的方法，其中所述的热处理在超过1400℃的温度下，在石墨稳定区中的压力下，在惰性或稳定化气氛中进行。

51.权利要求44和47至50任何一项的方法，其中所述的惰性气氛为氩气。

52.用于光学应用中的、由前述任何一项权利要求的方法生产的单晶金刚石层状物。

53.用作电磁传输窗口的、由前述任何一项权利要求的方法生产的单晶金刚石层状物。

54.一种具有粉红色-绿色范围内的颜色的单晶CVD金刚石层状物。

55.权利要求54的单晶CVD金刚石层状物，其中所述的颜色为鲜艳的粉红色。

56.权利要求54的单晶CVD金刚石层状物，其中所述的颜色为鲜艳的绿色。

57.权利要求54至56任何一项的单晶CVD金刚石层状物，其厚度为至少1mm。

58.权利要求54至57任何一项的单晶CVD金刚石层状物，其在整个厚度上具有均匀的晶体质量。

59.由权利要求54至58任何一项的层状物生产的单晶CVD金刚石片。

60.权利要求59的片，其具有宝石的形状。

61.权利要求60的片，其具有三个正交维度，每个维度都超过1mm。