DE2124145C3 - Verfahren zur Synthese von Diamanten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Diamantsynthese.

Bekannt ist ein Verfahren zur Synthese von Diamanten, bei dem ein kohlenstoffhaltiges Material in Gegenwart von Metallen Temperaturen von mindestens um 2000° C und einem Druck ausgesetzt wird, der der gewählten Temperatur im Bereich der Stabilität des Diamanten während einer Zeitdauer entspricht, die für die Kristallisation des Diamanten ausreichend ist. Es ist z. B. im Jahre 1939 von O. I. Lei pun ski ein Verfahren zur Synthese von Diamanten bekanntgeworden. Nach diesem Verfahren wurde zusammen mit Graphit ein Medium (Lösungsmittel), insbesondere Eisen, bei einem Druck von über 45 kbar und einer Temperatur von über 1500 K (1227° C) eingesetzt. In der Folge wurde ein Verfahren zur Synthese von Diamanten bekannt, nach dem man als Medium Metalle oder Legierungen verwendet, die aus der Reihe der Elemente Ni, CO, Fe, Mn, Cr, Tc, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt gewählt werden, und die Synthese bei Drücken von über 50 kbar und einer Temperatur von über 1200° C durchführt (US-PS 29 47 609, 29 47 610, 29 47 611).

Der Hauptnachteil der genannten Verfahren besteht darin, daß die erhaltenen Diamanten größere Mengen von metallischen Verunreinigungen enthalten. So kann z. B. bei der Synthese von Diamanten aus Graphit in Gegenwart von Nickel die Menge der Verunreinigungen in den Diamanten 4°/o erreichen.

In der US-PS 3142 539 wird eine autoepitaxiale Synthese von Diamanten beschrieben, die die Anwendung von Diamantimpfkristallen in unmittelbarem Kontakt mit dem Kohlenstoffatom bei Temperaturen von ungefähr 1273 bis 2073 K und einem Druck in der Nähe des Atmosphärendruckes notwendig macht. Als Metalle, die zum Transport des elementaren Kohlenstoffes verwendet werden, können Metalle dienen, die einen Schmelzpunkt unter 1773 K besitzen, beispielsweise Blei, Silber, Wismut, Kupfer usw. Dieses Verfahren hat jedoch keinerlei Vorteile gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren, denn

1. das erfindungsgemäße Verfahren verläuft im Stabilitätsbereich von Diamanten bei überhohen Drücken, d. h. unter vollständig anderen Bedingungen wie in der Druckschrift beschrieben;

2. die Benutzung von Bleioxid für die autoepitaxiale

Synthese ist nicht vorgesehen und kann auch nicht durchgeführt werden, da in diesem Falle das Metall in geschmolzenem Zustand vorliegen muß.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren muß als Lösungsmittel bzw. Katalysator gerade Bleioxid eingesetzt werden. Die Versuche haben gezeigt, daß die Verwendung von metallischem Blei unter den erfindungsgemäßen Verfahrensbedingungen keine brauchbaren Ergebnisse liefert, da es nur unbedeutende Mengen an Kohlenstoff löst und damit eine Diamantbildung nicht eintritt. U-J

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Beseitigung der genannten Nachteile.

In Übereinstimmung mit dem genannten Ziel wurde die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Svnthese von Diamanten unter Verwendung solcher Lösungsmittel zu entwickeln, die einen minimalen Gehalt an Verunreinigungen und die Durchsichtigkeit der Kristalle gewährleisten.

Zur Lösung der genannten Aufgabe wird das Verfahren 7VT Svnthese von Diamanten, das darin besteht, daß man ein kohlenstoffhaltiges Material in unmittelbaren Kontakt mit Verbindungen von Metallen einer Temperatur von mindestens gegen 2000¹ C und einem Druck aussetzt, der der gewählten Temperatur im Bereich der Stabilität des Diamanten, während einer Zeitdauer entspricht, die für die Bildung von Diamant ausreichend ist, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß man als Metallverhindung Quecksilberoxid allein oder zusammen mit Bleioxid verwendet. Dadurch wird der hohe Reinheitsgrad des erhaltenen Diamanten erzielt.

Es ist bevorzugt, ein Gemisch von reinem Graphit und Quecksilberoxid in einem Volumenverhältnis von 1:1 bis 2 :1 zu verwenden.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung von Beispielen näher erläutert.

Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung kann als kohlenstoffhaltiges Material Graphit und andere kohlenstoffhaltige Materialien verwendet werden, die bei hoher Temperatur und hohem Druck Kohlenstoff in freiem Zustand ausscheiden, der fähig ist, sich in Diamant umzuwandeln.

Die besten Ergebnisse wurden bei der Verwendung von Graphit spektraler Reinheit als kohlenstoffhaltiges Material erhalten. Als Medium, in dem die Umwandlung von Graphit, vor sich geht, wurde ein Gemisch von Quecksilber- und Bleioxid verwendet.

Als Reaktionsgemisch kann auch ein homogenes Gemisch der Pulver von Graphit spektraler Reinheil und der genannten Verbindungen (Quecksilber- und Bleioxid) in Frage kommen. Außerdem können Scheiben aus Graphit und Scheiben aus Quecksilberoxid in den Graphiterhitzer schichtenweise eingebracht werden. Die Hauptsache ist, daß der Graphit oder das kohlenstoffhaltige Material sich in unmittelbarem Kontakt mit den genannten Verbindungen befindet. Das Verhältnis des kohlenstoffhaltigen Materials und der Quecksilber- und Blechverbindungen ist für die Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht kritisch.

Das erwähnte Reaktionsgemisch bringt man in eine Hochdruck- und Hochtemperatureinrichtung beliebigen geeigneten Typs ein, die die für die Durchführung der Synthese von Diamant erforderlichen Drücke und Temperaturen bringt.

Es kann ζ. B. eine Vorrichtung mit zylindrischem Reaktionsraum verwendet werden, an deren Grundflächen Teile aus einer Hartmetallegierung oder Stahl angrenzen und deren Seitenfläche aus einem Material, das wärmedämmende und elektrische Isoliereigenschaften aufweist, z. B. aus Pyrophyllit ausgeführt ist.

Die Erhitzung des Reaktionsgemisches unter Druck kann nach einem der bekannten Verfahren, insbesondere unter Verwendung des in der Praxis bekannten Graphiterhitzers, durchgeführt werden, durch den man elektrischen Strom leitet.

Der Druck in der Hochdruckeinrichtung wurde in an sich bekannter Weise nach der Veränderung des elektrischen Widerstands unter Druck bei solchen Metallen wie Wismut (Bi,_IIir27 kbar, Bi_m._v-89 kbar), Thalium (Tl„.„_r37 kbar), Barium (Ba,.„-59 kbar) bestimmt. Die Meßgenauigkeit des Druckes in der Hochdruckeinrichtung bei einer Temperatur von 20° C betrug ± 6 kbar. Die Temperatur in der Hoch- »0 druckeinrichtung wurde nach den Schmelzpunkten solcher Metalle wie Mangan, Nickel, Titan, Platin bestimmt. Die Meßgenauigkeit der Temperatur in der Hochdruckeinrichtung bei einem Druck von etwa 80 kbar betrug ± 100° C. a₅

Zum Nachweis des technischen Fortschritts der vorliegenden Erfindung werden noch folgende Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu dem bekannten Verfahren vorgebracht:

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1. Bei der Verwendung von Quecksilberoxid allein oder mit Bleioxid als Lösungsmittel für Kohlenstoff bei der Diamantsynthese erhält man Endprodukte mit einer minimalen Verunreinigung, da Quecksilber und Blei keine strukturellen a Beimengungen des Diamanten darstellen;

2. das vorgeschlagene Verfahren erlaubt es, Diamanten mit großer Reinheit und Durchsichtigkeit zu erhalten;

3. außerdem bilden Quecksilber und Blei während *° der Reaktion keine beständigen Carbide, was die chemische Reinigung des Endproduktes erheblich vereinfacht.

Alle bisher verwendeten Metalle oder Legierungen, beispielsweise Eisen, Mangan, Kobalt usw. sowie auch insbesondere Nickel, bilden bei der Synthese beständige Carbide, wodurch sich die chemische Reinigung der synthetisierten Diamanten wesentlich erschwert und der Verbrauch großer Mengen an Reinigungsmitteln notwendig wird. Zu den Vorteilen 1 bis 3 ist zu sagen, daß man diese natürlich nicht getrennt betrachten kann, sondern den Summeneffekt aller drei geltend gemachten Vorteile, da sie ja auch in ihrer Summe bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Buche schlagen. Bei allen bekannten Verfahren ist die Kombination aller drei Vorteile nicht zu erreichen.

Die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung wird durch folgende Beispiele illustriert.

Beispiel 1

Ein homogenes Gemisch von Graphit spektraler Reinheit und HgO in einem Volumenverhältnis von 1:1 brachte man in einen Erhitzer aus spektral reinem Graphit ein, deckte von beiden Seiten mit Graphitscheiben zu, setzte einem Druck von 95 kbar und einer Temperatur von 2200° C aus und hielt unter diesen Bedingungen während 3 Minuten. Unter den genannten Bedingungen wurden zehn Versuche ausgeführt. In jedem Versuch wurden Diamanten nachgewiesen.

Beispiel 2

Ein homogenes Gemisch von Graphit spektraler Reinheit, Quecksilberoxid und Bleioxid im Volumenverhältnis von 1:1:1 brachte man in einen Erhitzer aus spektralreinem Graphit und deckte von beiden Seiten mit Graphitscheiben zu. Dann wurde er mit einem Druck von 96 kbar und einer Temperatur von 2300° C beaufschlagt und unter diesen Bedingungen 3 Minuten gehalten. Es wurden 35 Versuche durchgeführt und in jedem Falle Diamanten erhalten.

Die nach den oben beschriebenen Verfahren erhaltenen. Diamanten wurden durch einen hohen Reinheitsgrad und einen unbedeutenden Gehalt an metallischen Verunreinigungen gekennzeichnet.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Synthese von Diamanten, wobei das kohlenstoffhaltige Material in unmittelbarem Kontakt mit Vorbindungen von Metallen steht und unter Einwirkung einer Temperatur von mindestens etwa 2000° C einem Druck unterworfen wird, der der gewählten Temperatur im Bereich der Stabilität des Diamanten entspricht, während einer Zeitdauer» die für die Bildung von Diamant ausreichend ist, dadurch gekennzeichnet, daß man als Metallverbindung Quecksilberoxid allein oder zusammen mit Bleioxid verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch von reinem Graphit und Quecksilberoxiden in einem Volumenverhältnis von 1:1 bis 2:1 verwendet.