DE102020202641A1

DE102020202641A1 - Verfahren und System zum additiven Herstellen eines Diamanten sowie Diamant

Info

Publication number: DE102020202641A1
Application number: DE102020202641.6A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dorsch; Mostafa Biglari; Thomas Rettich
Original assignee: Trumpf SE and Co KG
Current assignee: Trumpf SE and Co KG
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-09-02
Also published as: WO2021175723A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Diamanten mit einer Strukturierung in seinem inneren Volumen, mit den Schrittena) Strukturieren einer Oberfläche (14) eines Teilfertigkörpers (12) des herzustellenden Diamanten mittels Laserstrahlung,b) Anlagern von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche (14) des Teilfertigkörpers (12). Die Erfindung betrifft ferner ein System (20) zur additiven Herstellung eines Diamanten mit einer Strukturierung (16) in seinem inneren Volumen, aufweisend eine Herstelleinrichtung (22) zum additiven Herstellen des Diamanten (10) durch Anlagern von Kohlenstoffatomen an eine Oberfläche (14) eines Teilfertigkörpers (12) des Diamanten und eine Lasereinrichtung (24) zum Strukturieren der Oberfläche (14) des Teilfertigkörpers (12) während der Herstellung des Diamanten in der Herstelleinrichtung (22). Weiterhin betrifft die Erfindung einen Diamanten mit einer Strukturierung (16) in Form eines oder mehrerer Schriftzeichen und/oder einer oder mehrerer linienhafter, flächenhafter oder volumenhafter Figuren und/oder eines oder mehrerer Hologramme in seinem inneren Volumen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Diamanten durch Anlagern von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche eines Teilfertigkörpers des Diamanten. Die Erfindung betrifft ferner ein System, das eine Herstelleinrichtung zum additiven Herstellen eines Diamanten durch Anlagern von Kohlenstoffatomen an eine Oberfläche eines Teilfertigkörpers des Diamanten aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung einen Diamanten mit einer Strukturierung in seinem inneren Volumen.
Es sind verschiedene Verfahren und Systeme zum Herstellen synthetischer Diamanten bekannt.
Beim Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren wird Graphit in einer hydraulischen Presse bei sehr großen Drücken und sehr hohen Temperaturen zusammengepresst, sodass sich der Graphit zu Diamant umwandelt. Dieser Umwandlungsprozess dauert jedoch sehr lange.
Weiterhin ist es bekannt, mittels chemischer Gasphasenabscheidung (oft auch auf Englisch als chemical vapour deposition, kurz CVD bezeichnet) sukzessive dünne Diamantschichten abzulagern. Als Ausgangsstoff dient dabei typischerweise ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Methan, welches als Kohlenstoffquelle dient.
Aus US 2006/0196858 A1 ist es bekannt, mikroskopische, punktförmige Markierungen im inneren Volumen eines Diamanten zu erzeugen. Dabei werden Femtosekunden-Laserpulse auf den Diamanten gerichtet. Die Energie der eingesetzten Laserstrahlen ist dabei so niedrig gewählt, dass Schäden an der Oberfläche des Diamanten vermieden werden. Auch in Bereichen, in denen das Diamantgitter ungestört bzw. der Diamant fehlerfrei ist, können mit Laserstrahlen dieser Energien keine Markierungen erzeugt werden. Die Markierungen entstehen als dunkle und opake Regionen nur an Unreinheiten oder Fehlstellen im Inneren des Diamanten, da an diesen Stellen weniger Energie zur Veränderung der Struktur erforderlich ist. Bei der Verwendung von Laserpulsen größerer Energie würde die Gefahr bestehen, den Diamanten zu beschädigen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, neue Möglichkeiten für das Strukturieren von Diamanten zu erschließen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, ein System nach Anspruch 12 sowie einen Diamanten gemäß Anspruch 16.
Erfindungsgemäßes Herstellverfahren
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Diamanten mit einer Strukturierung in seinem inneren Volumen vorgesehen. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Diamant weist mithin eine von einer Außenfläche des Diamanten beabstandete Strukturierung auf. Die Strukturierung reicht beim fertigen Diamanten von einer Außenfläche des Diamanten bevorzugt wenigstens 60 µm, besonders bevorzugt wenigstens 100 µm, ganz besonders bevorzugt wenigstens 200 µm, ins Innere des Diamanten.
Das Verfahren umfasst die Schritte

a) Strukturieren einer Oberfläche eines Teilfertigkörpers des herzustellenden Diamanten mittels Laserstrahlung, und
b) Anlagern von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche des Teilfertigkörpers.

Beim Anlagern der Kohlenstoffatome in Schritt b) wird grundsätzlich eine Diamantstruktur erzeugt. Das Anlagern erfolgt an der strukturierten Oberfläche. Zusätzlich kann ein Anlagern von Kohlenstoffatomen auch an einer nichtstrukturierten Oberfläche des Teilfertigkörpers erfolgen. Vor der ersten Durchführung von Schritt a) oder dem Beginn der Durchführung von Schritt a) kann der Teilfertigkörper mittels eines oder mehrerer zuvor durchgeführter Schritte b) erhalten werden. Die zum Strukturieren in Schritt a) eingesetzte Laserstrahlung kann eine Wellenlänge von wenigstens 100 nm, vorzugsweise wenigstens 200 nm, besonders bevorzugt wenigstens 500 nm und/oder höchstens 20 µm, bevorzugt höchstens 10 µm, besonders bevorzugt höchstens 5 µm, aufweisen.
Indem das Strukturieren während der Herstellung des Diamanten an einer Oberfläche des Teilfertigkörpers erfolgt, kann das Strukturieren besonders einfach und flexibel durchgeführt werden. Insbesondere kann zum Strukturieren der Oberfläche Laserstrahlung mit niedrigerer Energie eingesetzt werden, als es zum Erzeugen einer Strukturierung im Inneren (d.h. unter der Oberfläche) erforderlich wäre. Die Gefahr von Beschädigungen des Teilfertigkörpers bzw. des herzustellenden Diamanten wird dadurch verringert. Weiterhin können durch Strukturieren an der zum jeweiligen Zeitpunkt im Verfahrensablauf freiliegenden Oberfläche auf einfache Weise praktisch beliebige Formen von Strukturierungen erhalten werden. Die Oberfläche ist für das Strukturieren problemlos zugänglich, sodass insbesondere die Strahlführung und das Fokussieren der Laserstrahlung auf den zu strukturierenden Bereich vereinfacht werden. Die Strukturierung kann beim fertigen Diamanten einen zusammenhängenden Bereich bilden oder mehrere voneinander getrennte Teilbereiche umfassen.
Nach der letzten Durchführung von Schritt a) oder dem Beenden der Durchführung von Schritt a) werden typischerweise ein oder mehrere weitere Schritte b) durchgeführt oder die Durchführung von Schritt b) wird fortgesetzt. Dadurch wird die Strukturierung nach außen hin von (unstrukturiertem) Diamantmaterial umschlossen.
Alternativ oder zusätzlich zur Strukturierung im inneren Volumen des Diamanten kann eine Außenfläche des hergestellten Diamanten eine Oberflächenstrukturierung aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Strukturierung eine Außenfläche des fertigen Diamanten erreicht. Um die Außenfläche des Diamanten zu strukturieren, kann das Verfahren mit einem Schritt a) beendet werden.
Der hergestellte Diamant kann im bei Kunst- oder Naturdiamanten üblichen Umfang Fremdatome, Gitterfehler oder fehlende Atome aufweisen. Die erzeugte Strukturierung gilt nicht als Fremdatom, Gitterfehler oder als fehlende Atome.
Beim Strukturieren in Schritt a) können Stickstoff-Fehlstellen-Zentren erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit einem unten beschriebenen, erfindungsgemäßen System durchgeführt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere ein unten beschriebener, erfindungsgemäßer Diamant erhalten werden.
Die Schritte a) und b) können abwechselnd durchgeführt werden. Der Diamant wird bei dieser Verfahrensvariante mithin durch schichtweises Anlagern von Kohlenstoffatomen hergestellt. Die Strukturierung wird in das bereits vorhandene Material des Teilfertigkörpers eingebracht. Typischerweise werden die Schritte a) und b) jeweils abwechselnd mehrfach durchgeführt. Nach einer Durchführung von Schritt a) können eine oder mehrere Durchführungen von Schritt b) vorgenommen werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Schritte a) und b) gleichzeitig, vorzugsweise kontinuierlich, durchgeführt werden. Bei dieser Verfahrensvariante wird die Strukturierung während des Anlagerns der Kohlenstoffatome erzeugt. Dabei kann insbesondere die beim Anlagern der Kohlenstoffatome entstehende Struktur beeinflusst und/oder eine Wachstumsrichtung des herzustellenden Diamanten lokal beeinflusst werden.
Besonders bevorzugt erfolgt das Strukturieren in Schritt a) mittels gepulster Laserstrahlung. Mit gepulster Laserstrahlung kann die zum Strukturieren erforderliche Energie in den Teilfertigkörper eingebracht werden, ohne dass die Gefahr besteht, beispielsweise durch Überhitzung, ungewünschte Schädigungen hervorzurufen. Die Pulsdauer der Laserstrahlung kann wenigstens 1 fs, vorzugsweise wenigstens 10 fs, besonders bevorzugt wenigstens 100 fs und/oder höchstens 100 ns, bevorzugt höchstens 10 ns, besonders bevorzugt höchstens 1 ns betragen. Die Pulswiederholrate kann wenigstens 1 Hz, bevorzugt wenigstens 1 kHz, und/oder höchstens 1 GHz, bevorzugt höchstens 1 MHz, betragen.
Das Strukturieren kann durch Ablation von Kohlenstoffatomen in einem Teilbereich der Oberfläche erfolgen. Dabei können in dem Teilbereich eine Schicht oder mehrerer Schichten von Kohlenstoffatomen abgetragen werden. Auf diese Weise können insbesondere Hohlräume im hergestellten Diamanten erzeugt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Strukturieren durch eine Beeinflussung des Anlagerungsvorgangs der Kohlenstoffatome erfolgen. Durch die Beeinflussung des Anlagerungsvorgangs können beispielsweise überhängende Strukturen, veränderte optische Eigenschaften, etwa unterschiedliche Farben und/oder unterschiedliche Brechungsindizes, oder Stickstoff-Fehlstellen-Zentren erzeugt werden. Diamanten mit gezielt eingebrachten Stickstoff-Fehlstellen-Zentren können beispielsweise für Quantencomputer verwendet werden.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Anlagern in Schritt b) durch einen CVD-Prozess, d. h. mittels chemischer Gasphasenabscheidung, erfolgt. Auf diese Weise können Diamanten rationell und in hoher Qualität hergestellt werden.
Das Anlagern in Schritt b) kann durch einen fokussierten Ionenstrahl beeinflusst werden. Hierdurch kann beispielsweise das Entstehen überhängender Strukturen unterstützt werden. Es können insbesondere Strukturierungen in Form geschlossener Hohlräume in dem Diamanten hergestellt werden. Überhängende Strukturen können grundsätzlich auch ohne Einsatz eines fokussierten Ionenstrahls oder mit anderen Unterstützungsmitteln hergestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass durch das Strukturieren optische Eigenschaften des Diamanten, vorzugsweise ein Brechungsindex und/oder eine Farbe, lokal verändert werden. Auf diese Weise können beispielsweise Informationen, etwa in Textform oder in codierter Form, in den Diamanten eingebracht werden. Durch lokale Farbveränderungen kann die optische Erscheinung des Diamanten gezielt verändert werden. Insbesondere können neue optische Effekte erzeugt werden, was beispielsweise bei Diamanten, die als Schmuckstein verwendet werden, als ästhetisch wertvoll empfunden werden kann.
Beim Strukturieren können ein oder mehrere Schriftzeichen und/oder eine oder mehrere, vorzugsweise linienhafte, flächenhafte oder volumenhafte, Figuren und/oder ein oder mehrere Hologramme erzeugt werden. Das Einbringen solcher Strukturierungen ins Innere Volumen eines Diamanten war bisher nicht möglich. Je nach Ausprägung der eingebrachten Strukturierung können mit einem derart hergestellten Diamanten unterschiedliche Botschaften übermittelt werden. Es ist beispielsweise möglich, ein Liebesbekenntnis in den Diamanten eines Schmuckstücks zu integrieren, anstatt es beispielsweise wie bisher in einen Ring oder dergleichen einzugravieren.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Strukturierung für optische und/oder quantenmechanische Berechnungen mit dem hergestellten Diamanten erzeugt wird, vorzugsweise wobei beim Strukturieren Stickstoff-Fehlstellen-Zentren erzeugt werden. Optischen bzw. quantenmechanischen Computern wird eine große Bedeutung für die Zukunft zugeschrieben. Die Erfindung ermöglicht die rationelle Herstellung hierfür verwendbarer Diamanten.
Erfindungsgemäßes Herstellsystem
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ferner ein System zum additiven Herstellen eines Diamanten mit einer Strukturierung in seinem inneren Volumen. Das erfindungsgemäße System ist typischerweise dazu eingerichtet, ein oben beschriebenes, erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Das erfindungsgemäße System kann weiterhin dazu eingerichtet sein, einen unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Diamanten herzustellen. In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt insbesondere auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Diamanten, vorzugsweise mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das System weist eine Herstelleinrichtung zum additiven Herstellen des Diamanten durch Anlagern von Kohlenstoffatomen an eine Oberfläche eines Teilfertigkörpers des Diamanten auf. Die Herstelleinrichtung ermöglicht es, den Diamanten durch sukzessives Abscheiden von Kohlenstoffatomen auf der Oberfläche des Teilfertigkörpers aufzubauen. Das Abscheiden bzw. Anlagen der Kohlenstoffatome kann kontinuierlich oder schichtweise erfolgen.
Erfindungsgemäß weist das System ferner eine Lasereinrichtung auf zum Strukturieren der Oberfläche des Teilfertigkörpers während der Herstellung des Diamanten in der Herstelleinrichtung. Die Lasereinrichtung ist vorzugsweise zum Strukturieren der Oberfläche mittels gepulster Laserstrahlung eingerichtet. Die Lasereinrichtung ermöglicht es, an der Oberfläche eine Strukturierung einzubringen, beispielsweise durch Abtragen von Kohlenstoffatomen von der Oberfläche und oder durch Beeinflussen des Anlagerungsvorgangs der Kohlenstoffatome an der Oberfläche. Da das System dazu eingerichtet ist, die Strukturierung während der additiven Herstellung des Diamanten zu erzeugen, kann durch Bearbeiten der (freien) Oberfläche des Teilfertigkörpers auf einfache Weise eine Strukturierung im inneren Volumen des Diamanten erhalten werden. Mit dem erfindungsgemäßen System können Strukturierungen im Inneren des Diamanten erzeugt werden, die nachträglich von außen nicht in einen bereits fertig hergestellten (bzw. vorhandenen) Diamanten eingebracht werden könnten.
Das System kann weiterhin eine Ionenstrahleinrichtung aufweisen zum Bestrahlen des Teilfertigkörpers mit einem, vorzugsweise fokussierten, Ionenstrahl während der Herstellung des Diamanten in der Herstelleinrichtung. Mit der Ionenstrahleinrichtung kann der Anlagerungsprozess der Kohlenstoffatome beeinflusst werden. Insbesondere kann die Ionenstrahleinrichtung das Herstellen überhängender Strukturen, etwa zur Erzeugung geschlossener Hohlräume im Inneren des Diamanten, erleichtern.
Die Lasereinrichtung ist vorzugsweise zur Ablation von Kohlenstoffatomen von der Oberfläche des Teilfertigkörpers eingerichtet. Insbesondere kann die Lasereinrichtung dazu eingerichtet sein, eine oder mehrere Schichten von Kohlenstoffatomen von der Oberfläche abzutragen.
Die Herstelleinrichtung kann zum chemischen Abscheiden von Kohlenstoffatomen aus einer Gasphase eingerichtet sein. Die Herstelleinrichtung ist mit anderen Worten als eine CVD-Herstelleinrichtung ausgebildet. Eine solche Herstelleinrichtung erlaubt die rationelle Fertigung hochwertiger Diamanten.
Erfindungsgemäßer Diamant
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin ein Diamant mit einer Strukturierung in Form eines oder mehrerer Schriftzeichen und/oder einer oder mehrerer linienhafter, flächenhafter oder volumenhafter Figuren und/oder eines oder mehrerer Hologramme in seinem inneren Volumen. Diese Strukturierung kann bei der Verwendung des Diamanten in verschiedener Weise vorteilhaft sein. Die Strukturierung kann beispielsweise zur Übermittlung von Botschaften wie beispielsweise Heiratsanträgen, zur Durchführung von Rechenoperationen und/oder zur Identifikation des Diamanten eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Diamant kann durch ein oben beschriebenes, erfindungsgemäßes Verfahren, das vorzugsweise mit einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen System durchgeführt wurde, hergestellt worden sein.
Ein kleinster Abstand der Strukturierung von einer Außenfläche des Diamanten beträgt bevorzugt wenigstens 60 µm, besonders bevorzugt wenigstens 100 µm, ganz besonders bevorzugt wenigstens 200 µm. Die Strukturierung ist dadurch vor Manipulation von außen geschützt. Ferner kann durch die tiefe Anordnung der Strukturierung im inneren Volumen des Diamanten die optische Wirkung der Strukturierung verstärkt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes System zur additiven Herstellung eines vorzugsweise erfindungsgemäßen Diamanten mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das System zum additiven Herstellen des Diamanten eine Herstelleinrichtung, und zum Bearbeiten eines Teilfertigkörpers des Diamanten während der Herstellung eine Lasereinrichtung und eine Ionenstrahleinrichtung aufweist, in einer schematischen Darstellung;
2a einen Teilfertigkörper eines Diamanten während der Herstellung des Diamanten, wobei eine teilweise fertiggestellte Strukturierung in Form von Schriftzeichen bis an eine Oberfläche des Teilfertigkörpers heranreicht, in einer schematischen Darstellung;
2b den Teilfertigkörper von 2a nach dem weiteren Anlagern von Kohlenstoffatomen an die Oberfläche, wobei die Strukturierung nun vollständig ausgebildet ist, jedoch noch bis an die Oberfläche des Teilfertigkörpers heranreicht, in einer schematischen Darstellung;
2c einen Diamanten erhalten durch weiteres Anlagern von Kohlenstoffatomen an die Oberfläche des Teilfertigkörpers von 2b, wobei die Strukturierung im inneren Volumen des Diamanten angeordnet und vollständig von Diamantmaterial umschlossen ist, in einer schematischen Darstellung;
3a eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diamanten mit einer Strukturierung in Form von Schriftzeichen in seinem inneren Volumen, wobei die Schriftzeichen innerhalb des Diamanten lesbar sind, in einer schematischen Darstellung;
3b eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diamanten mit einer Strukturierung in seinem inneren Volumen, wobei die Strukturierung so ausgebildet ist, dass bei Beleuchtung außerhalb des Diamanten Schriftzeichen erkennbar werden, in einer schematischen Darstellung;
4a ein schematisches Ablaufdiagramm einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Diamanten;
4b ein schematisches Ablaufdiagramm einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Diamanten.

1 zeigt ein System 20 zum additiven Herstellen eines Diamanten mit einer Strukturierung in seinem inneren Volumen.
Das System 20 weist eine Herstelleinrichtung 22 auf. Die Herstelleinrichtung 22 ermöglicht es, einen Diamanten durch sukzessives Anlagern von Kohlenstoffatomen an eine Oberfläche 14 eines Teilfertigkörpers 12 des Diamanten herzustellen. Die Herstelleinrichtung 22 ist hier als eine CVD-Herstelleinrichtung ausgebildet, bei welcher Kohlenstoffatome aus einer Gasphase 28 auf der Oberfläche 14 des Teilfertigkörpers 12 chemisch abgeschieden werden. Die Gasphase 28 kann Methan und Wasserstoff aufweisen.
Das System 20 weist ferner eine Lasereinrichtung 24 auf. Die Lasereinrichtung 24 dient zum Strukturieren der Oberfläche 14 des Teilfertigkörpers 12 während der Herstellung des Diamanten. Mit anderen Worten ermöglicht es die Lasereinrichtung 24, in der Oberfläche 14 des Teilfertigkörper 12 eine Strukturierung 16 zu erzeugen, welche nach dem weiteren Anlagern von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche 14 mittels der Herstelleinrichtung 22 im inneren Volumen des Diamanten angeordnet ist. Typischerweise ist die Lasereinrichtung 24 dazu eingerichtet, mittels gepulster Laserstrahlung Kohlenstoffatome von der Oberfläche 14 durch Ablation zu entfernen. Alternativ oder zusätzlich kann die Lasereinrichtung für 20 dazu eingerichtet sein, den Anlagerungsprozess der Kohlenstoffatome an der Oberfläche 14 zu beeinflussen.
Das System 20 weist hier weiterhin eine Ionenstrahleinrichtung 26 auf. Die Ionenstrahleinrichtung 26 dient zum Bestrahlen der Oberfläche 14 des Teilfertigkörpers 12 mit einem fokussierten Ionenstrahl. Durch das Bestrahlen der Oberfläche 14 mit dem Ionenstrahl kann der Anlagerungsprozess der Kohlenstoffatome an der Oberfläche 14 beeinflusst werden. Insbesondere kann durch das Bestrahlen mit dem Ionenstrahl das Entstehen überhängender Strukturen, etwa zur Erzeugung geschlossener Hohlräume im Inneren des Diamanten, unterstützt werden.
2a zeigt einen Teilfertigkörper 12 eines Diamanten während seiner Herstellung, beispielsweise in dem System 20 von 1. Der Teilfertigkörper 12 weist an einer Oberfläche 14 eine Strukturierung 16 auf. Die Strukturierung 16 kann durch fehlende Kohlenstoffatome gebildet sein. Es können dabei einzelne Kohlenstoffatome fehlen und insbesondere durch Fremdatome, vorzugsweise Stickstoffatome, ersetzt sein. Alternativ können mehrere Kohlenstoffatome fehlen, sodass Hohlräume im Teilfertigkörper 12 bzw. Diamanten entstehen. Vorliegend besteht die Strukturierung 16 in veränderten optischen Eigenschaften des Diamantmaterials. Beispielsweise kann lokal, d. h. im Bereich der Strukturierung 16, die Transparenz und/oder ein Brechungsindex des Diamanten verändert sein. Auch ist es möglich die Strukturierung 16 durch eine veränderte Farbe des Diamanten auszubilden.
2b zeigt den Teilfertigkörper 12 von 2a nach dem weiteren Anlagern von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche 14 und Fertigstellen der Strukturierung 16. In dem in 2b gezeigten Stadium des Herstellerprozesses des Diamanten reicht die Strukturierung 16 noch bis an die Oberfläche 14. Die Strukturierung 16 ist hier in Form von Schriftzeichen ausgebildet. Die Schriftzeichen können beispielsweise den Namen der geliebten Frau eines der Erfinder bilden.
2c zeigt den aus dem Teilfertigkörper 12 von 2b erhaltenen Diamanten 10 nach seiner Fertigstellung. Die Strukturierung 16 ist durch weiteres Anlagern von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche 14, vergleiche 2b, vollständig von Diamantmaterial umgeben. Ein kleinster Abstand 30 der Strukturierung 16 von einer Außenfläche 18 des Diamanten 10 kann 250 µm betragen. Die Strukturierung 16 kann von der Außenfläche 18 aus mehr als 750 µm ins Innere des Diamanten 10 hineinreichen, vergleiche Tiefenerstreckung 32.
Der Diamant 10 bzw. der Teilfertigkörper 12 sind in den 1, 2a-2c nur grob schematisch dargestellt. Der Diamant 10 kann nach seiner Herstellung in der Herstelleinrichtung 20 noch in geeigneter Weise geschliffen werden.
3a zeigt einen geschliffenen Diamanten 10. Der geschliffene Diamant 10 von 3a kann aus dem ungeschliffenen Diamant 10 von 2c erhalten sein. Bei dem Diamanten 10 von 2c bzw. 3a ist die mit Schriftzeichen ausgebildete Strukturierung 16 beim Betrachten im inneren Volumen des Diamanten 10 erkennbar und vorzugsweise mit bloßem Auge lesbar.
3b zeigt einen weiteren Diamanten 10. Bei dem Diamanten 10 von 3b ist eine Strukturierung 16 derart ausgebildet, dass beim Beleuchten des Diamanten 10 Schriftzeichen der Strukturierung 16 außerhalb des Diamanten 10 lesbar werden. Die Strukturierung 16 kann hierzu durch Bereiche mit gegenüber dem übrigen Diamantmaterial veränderten optischen Eigenschaften insbesondere einer veränderten Brechungszahl und/oder Transparenz gebildet sein.
4a zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Variante eines Verfahrens zum Herstellen eines Diamanten 10, vergleiche 2c, 3a und 3b. Das Verfahren kann beispielsweise mit dem System 20 von 1 durchgeführt werden.
In einem ersten Schritt 102 wird ein Teilfertigkörper 12 bereitgestellt. Der Teilfertigkörper 12 kann durch Ablagern von Kohlenstoffatomen auf einem Substrat 34, vergleiche 1, erhalten sein.
In einem anschließenden Schritt 104 wird eine Strukturierung 16 in eine Oberfläche 14 des Teilfertigkörpers 12 eingebracht. Dies kann durch Ablation mittels, vorzugsweise gepulster, Laserstrahlung aus der Lasereinrichtung 24 erfolgen. Die Strukturierung 16 kann in der Form von Schriftzeichen ausgebildet werden.
Sodann erfolgt in einem Schritt 106 ein Anlagern von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche 14, welche die Strukturierung 16 aufweist. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt das Anlagern durch einen CVD-Prozess in der Herstelleinrichtung 22. Der Anlagerungsprozess kann durch einen fokussierten Ionenstrahl aus der Ionenstrahleinrichtung 26 beeinflusst werden.
Bei dem Verfahren von 4a werden die Schritte 104 und 106 abwechselnd durchgeführt. Auf eine Durchführung von Schritt 104 folgt eine Durchführung von Schritt 106, daraufhin wieder Schritt 104 und so fort. Der Teilfertigkörper 12 wird in den Schritten 106 schichtweise um weitere Lagen von Kohlenstoffatomen ergänzt. In den Schritten 104 erfolgt jeweils ein Strukturieren an der neu aufgebauten Oberfläche 14 des Teilfertigkörpers 12.
Nachdem die Strukturierung 16 vollständig hergestellt wurde, kann in einem Schritt 108 ein weiteres Anlagern von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche 14 des Teilfertigkörpers 12 erfolgen. Dadurch wird die Strukturierung 16 im inneren Volumen des Diamanten 10 eingeschlossen. Der Schritt 108 kann grundsätzlich wie der Schnitt 106 durchgeführt werden. Insbesondere kann der Schritt 108 das sukzessive Anlagern mehrerer Schichten von Kohlenstoffatomen umfassen.
4b zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Variante eines Verfahrens zum Herstellen eines Diamanten 10, vergleiche 2c, 3a und 3b. Das Verfahren kann beispielsweise mit dem System 20 von 1 durchgeführt werden.
In einem ersten Schritt 102 wird ein Teilfertigkörper 12 bereitgestellt. Der Teilfertigkörper 12 kann durch Ablagern von Kohlenstoffatomen auf einem Substrat 34, vergleiche 1, erhalten sein.
Bei der Verfahrensvariante von 4b erfolgen gleichzeitig ein Anlagern 106 von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche 14 des Teilfertigkörpers 12 und ein Strukturieren 104 der Oberfläche 14. Gleichzeitig bedeutet hier insbesondere, dass während der Durchführung von Schritt 104 auch Schritt 106 durchgeführt wird. Je nach zu erzeugender Strukturierung kann jedoch vorgesehen sein, dass Schritt 104 pausiert wird, während Schritt 106 weiter durchgeführt wird. Die Schritte 104 und 106 werden vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt. Alternativ ist es denkbar, die Schritte 104 und 106 durch eine oder mehrere Pausen zu unterbrechen.
Die Strukturierung 16 kann hierbei durch eine Beeinflussung des Anlagerungsvorgangs erfolgen. Hierzu wird, vorzugsweise gepulste, Laserstrahlung aus der Lasereinrichtung 24 eingesetzt. Das Beeinflussen des Anlagerungsvorgangs zum Erzeugen der Strukturierung 16 kann durch einen fokussierten Ionenstrahl aus der Ionenstrahleinrichtung 26 unterstützt werden.
Beim Strukturieren durch Beeinflussen des Anlagerungsvorgangs können insbesondere optische Eigenschaften des herzustellenden Diamanten 10, etwa ein Brechungsindex und/oder eine Farbe, lokal verändert werden. Die Strukturierung 16 kann in Form von linienhaften oder flächenhaften Figuren ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Strukturierung 16 als ein Hologramm ausgebildet werden.
Beim Strukturieren der Oberfläche 14 des Teilfertigkörpers 12 können auch gezielt Stickstoff-Fehlstellen-Zentren erzeugt werden. Auf diese Weise können Diamanten 10 für Quantencomputer hergestellt werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum additiven Herstellen eines kristallinen Körpers mit einer Strukturierung in seinem inneren Volumen. Der kristalline Körper ist vorzugsweise transparent. Besonders bevorzugt ist der kristalline Körper ein Diamant. Das Verfahren umfasst die Schritte

a) Strukturieren einer Oberfläche eines Teilfertigkörpers des herzustellenden kristallinen Körpers mittels Laserstrahlung,
b) Anlagern von Atomen an der Oberfläche des Teilfertigkörpers.

Das Anlagern der Atome erfolgt grundsätzlich entsprechend dem Kristallgitter des herzustellenden Körpers. Die Atome sind für die Herstellung eines Diamanten Kohlenstoffatome.
Ferner betrifft die Erfindung ein System zum additiven Herstellen eines kristallinen Körpers mit einer Strukturierung in seinem inneren Volumen, aufweisend eine Herstelleinrichtung zum additiven Herstellen des kristallinen Körpers durch Anlagern von Atomen an eine Oberfläche eines Teilfertigkörpers des kristallinen Körpers und eine Lasereinrichtung zum Strukturieren der Oberfläche des Teilfertigkörpers während der Herstellung des kristallinen Körpers in der Herstelleinrichtung. Das System erlaubt es, das vorgenannte Verfahren durchzuführen. Die Herstelleinrichtung ist vorzugsweise zum Herstellen eines Diamanten ausgebildet.
Bezugszeichenliste

10: Diamant
12: Teilfertigkörpers
14: Oberfläche
16: Strukturierung
18: Außenfläche
20: System
22: Herstelleinrichtung
24: Lasereinrichtung
26: Ionenstrahleinrichtung
28: Gasphase
30: kleinster Abstand
32: Tiefenerstreckung
34: Substrat
106: Bereitstellen
104: Strukturieren
106: Anlagern
108: Weiteres Anlagern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0196858 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum additiven Herstellen eines Diamanten (10) mit einer Strukturierung (16) in seinem inneren Volumen, mit den Schritten a) Strukturieren (104) einer Oberfläche (14) eines Teilfertigkörpers (12) des herzustellenden Diamanten mittels Laserstrahlung, b) Anlagern (106) von Kohlenstoffatomen an der Oberfläche (14) des Teilfertigkörpers (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) abwechselnd durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) gleichzeitig, vorzugsweise kontinuierlich, durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren (104) in Schritt a) mittels gepulster Laserstrahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren (104) durch Ablation von Kohlenstoffatomen in einem Teilbereich der Oberfläche (14) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren (104) durch eine Beeinflussung des Anlagerungsvorgangs der Kohlenstoffatome erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagern (106) in Schritt b) durch einen CVD-Prozess erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagern (106) in Schritt b) durch einen fokussierten Ionenstrahl beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Strukturieren (104) optische Eigenschaften des Diamanten (10), vorzugsweise ein Brechungsindex und/oder eine Farbe, lokal verändert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Strukturieren (104) ein oder mehrere Schriftzeichen und/oder eine oder mehrere, vorzugsweise linienhafte, flächenhafte oder volumenhafte, Figuren und/oder ein oder mehrere Hologramme erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strukturierung für optische und/oder quantenmechanische Berechnungen mit dem hergestellten Diamanten (10) erzeugt wird, vorzugsweise wobei beim Strukturieren (104) Stickstoff-Fehlstellen-Zentren erzeugt werden.
System (20) zum additiven Herstellen eines Diamanten (10) mit einer Strukturierung (16) in seinem inneren Volumen, aufweisend - eine Herstelleinrichtung (22) zum additiven Herstellen des Diamanten (10) durch Anlagern von Kohlenstoffatomen an eine Oberfläche (14) eines Teilfertigkörpers (12) des Diamanten (10), - eine Lasereinrichtung (24) zum Strukturieren der Oberfläche (14) des Teilfertigkörpers (12) während der Herstellung des Diamanten (10) in der Herstelleinrichtung (22).
System (20) nach Anspruch 12, weiterhin aufweisend eine Ionenstrahleinrichtung (26) zum Bestrahlen des Teilfertigkörpers (12) mit einem, vorzugsweise fokussierten, Ionenstrahl während der Herstellung des Diamanten (10) in der Herstelleinrichtung (20).
System (20) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (24) zur Ablation von Kohlenstoffatomen von der Oberfläche (14) des Teilfertigkörpers (12) eingerichtet ist.
System (20) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstelleinrichtung (22) zum chemischen Abscheiden von Kohlenstoffatomen aus einer Gasphase (28) eingerichtet ist.
Diamant (10) mit einer Strukturierung (16) in Form eines oder mehrerer Schriftzeichen und/oder einer oder mehrerer linienhafter, flächenhafter oder volumenhafter Figuren und/oder eines oder mehrerer Hologramme in seinem inneren Volumen.