DE2258168A1

DE2258168A1 - Verfahren zur herstellung synthetischer diamanten

Info

Publication number: DE2258168A1
Application number: DE19722258168
Authority: DE
Inventors: Ignaz Dr-Ing Katz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1972-11-28
Publication date: 1974-05-30

Description

Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten aus kohlenstoffhaltigen Gasen.
Versuche der Diamantensynthese sind schon in großer Zahl bekannt geworden. Dabei wird in der Regel mit sehr hohen Drucken in der Größenordnung bis 100.000 Atmosphären und mehr und Tesperaturen von ungefähr 20000 bis 30000 C gearbeitet Die auf diese Weise gewonnenen hauptsächlich technischen Diamanten (über 90 %) kommen in der Regel etwa doppelt so teuer zu stehen wie natürliche Diamanten. Aus diesem Grunde haben sich bekannte Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nicht durchsetzen können. Andererseits sind aber die natür lichten Diamantenvorkommen ald erschöpft, WiX neueste Untersuchungen ergeben haben Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dessen Hilfe die Herstellung synthetischer Diamanten in Form größerer Einkristalle bei vergleichsweise niedrigen Kosten möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Diamantensynthese kohlenstoffhaltige Gase in den Plasmazustand gebracht werden und die Kohlenstoffatome in statu nascendi in einem Diananteninkubator zur Kristallzüchtung herangezogen werden.
Weitere Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, verschiedene Verfahren zur Erzeugung kohlenstoffhaltige Plasmen, wie sie zurWsynthetischen Diamantenherstellung geeignet sind, aufzuzeigen.
Hierzu bieten sich folgende Verfahren ans 1. Ein sog. "heißes" Plasma aus Kohlenstoffatomen kann in einem Lichtbogen erzeugt werden. Um die Temperatur des Plasmas ii Lichtbogen zu erhöhen, wird nach sowjetischen Verfahren ein turbulentes Verhalten des Plasmas durch hinwendung eines hohen Stromes hervorgerufen. Die dabei auftretende turbulente strömung führt zu eines höheren elektrischen Widerstand, was zu einer Temperatureteigerung des Plasmas führt.
2. Ein sog. "kaltes" Plasma läßt eich in einer Crooks-Röhrchen bei niedriger Druck erzeugen.
Geeignete kohlenstoffhaltige Gase werden auch durch chemische Unsetzungen aus Verbindungen gewonnen, die ao iiteinander reagieren, daß die Kohlenstoffatome abgetrennt und freigesetzt werden, nährend die freien Radikale in beständige Verbindungen übergeführt werden.
Hierzu eignen sich aliphatische Verbindgen, Kohlenwasserstoffe, Paraffine, normale ungesättigte Verbindungen und ähnliche.
Ein Beispiel dafür, wie gezielt Kohlenstoffplasma z.B. in einem Lichtbogen aus kohlenstoffhaltigen Verbindungen durch geeignete chemische Umsetzung und Abtrennung sowie Freisetzung der Kohlenstoffatome am günstigsten gewonnen werden; soll nachstehende Reaktionsformel beispielsweise aufzeigent stöchiometrisch Während bisher Kristalle nur aus Lösungen, Schmelzen, Gasen oder Däppfen oder über chemische Reaktionen bei Hochdruck- und Hochtemperaturen gezüchtet worden sind, erfolgt die Züchtung synthetischer Diamanten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem sog. 4. Iggregatzustand des Kohlenstoffs, nämlich aus der Plasmaphase.
Für die Züchtung kunstlicher Diamanten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine spezielle Vorrichtung erforderlich, ein sog. Diamanteninkabator oder Diamantenbrüter; dieser ist in verschiedene Zonen unterschiedlicher Temperatur unterteilt. In der Zone hoher Temperatur wird der Plasmazustand der kohlenstoffhaltigen Gase erzeugt und/oder aufrecht erhalten, während in einer zweiten, von der ersten getrennt angeordneten Zone niedrigerer Temperatur die eigentliche Eristallzüchtung erfolgt.
Mit den jeweils vorgesehenen Temperaturen läßt sich erreichen, daß der Reaktionsablauf des Kristallwachstums verlangsamt und steuerbar wird, was vorallem deswegen angestrebt werden muß, weil auf diese Weise ein sauberer Einkristallwachstumsprozeß verwirklicht werden kann.
Die Züchtung synthetischer Diamanten nach der Erfindung benutzt zur Einleitung des Kristallwachstums Keimkristalle und/oder Katalysatoren wie Nickelcarbid, Platin, Kobalt.
Eine Beschleunigung des Wachstumsprozesses bei der synthetischen Diamantzüchtung kann dadurch erreicht werden, daß der Kristallkeim durch Elektronenbeschuß aktiviert wird. Zur Aktivierung läßt sich aber ebenso Lichtstrahlung heranziehen. Dabei wird der umgekehrte Effekt der Laserstrahlung ausgenutzt, wodurch sich unter geeigneten Bedingungen ebenfalls eine Steuerung des Wachstums des Kristalles, wenn sich dieser in seinem angeregten Zustand befindet, erreichen läßt.
Es ist dabei möglich, einen bestimmten Kristallgitteraufbau des Diamanten zu verwirklichen. Zu diesem Zweck kann man auch die obenerwähnten Katalysatoren verwenden, die dabei in Form elektrisch geladener Metallfilme (z.B. aus Ni, Co, Pt) zur Anwendung kommen und die eine zusätzliche Steuerungsmöglichkeit des Kristallbildungsprozesses erlauben.
Ein weiteres Verfahren zur Überführung kohlenstoffhaltiger Gase in ein Plasma besteht in der Reduzierung von C02 bzw. CO. Dabei wird erfindungsgemäß von einer CO2- bzw. CO-Atmosphäre ausgegangen, in der Magnesium oxydiert wird..
Bei der Verbrennung von Magnesium in einer C02-Atmosphäre wird Kohlenstoff frei nach der Gleichung Der freigewordene Kohlenstoff tritt dabei als locker aufeinanderliegende Graphitkristalle in Form von Ruß auf. Bei entsprechender Steuerung dieser chemischen Umsetzung wie auch bei Anwendung von Katalysatoren kann an Stelle schneller Rußbildung bei Verlangsamung des Umsetzungsprozesses eine Einkristallbildung erzwungen werden.
Die Züchtung wird hierbei wiederum in einem speziellen Brüter durchgeführt; dieser besteht aus einem Spezialgefäß, das evakuiert und nach außen abgeschlossen ist und zwei Temperaturbereiche, wie bereits zuvor beschrieben, beherbergt.
Als Einflußgrößen zur Steuerung des Wachstumsprozesses der synthetischen Diamanten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Durchmesser des Mg-Drahtes wie auch der CO2- bzw. CO-Druck herangezogen werden. Als weitere Möglichkeiten der Steuerung bieten sich die Beeinflußung der Temperatur und das Anlegen eines elektrischen Feldes an. Auch bei diesem modifizierten Verfahren wird wiederum der Kristallwachstumsprozeß in dem Brüter durch einen Keim eingeleitetPwie auch durch Katalysatoren.
Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Diamantzüchtung bedient sich einer speziellen Edison-Glühlampe, in der Kohlenstoffdraht verdampft wird. Das Verdampfen des Kohlenstoffdrahtes wird durch einen progressiv ansteigenden Stromstoß bewirkt. Der so verdampfte Kohlenstoff wird dann durch weitere Energiezufuhr mit Hilfe eines zusätzlichen Stromkreises in den Plasmazustand gebracht, wobei Temperaturbereiche von etwa 2000Q bis 30000 C erreicht werden. Der auftretende Pintch-Effekt bewirkt, daß der verdampfte Kohlenstoff nicht abdampft sondern in einem engbegrenzten schlauchförmigen Raum eingeschlossen wird und so den Stromfluß aufrecht erhält, wodurch ein weiteres Erhitzen möglich ist.
Zur Einleitung der Kristallbildung ist in eine derartige Glühlampe wiederum ein Kristallkeim eingesetzt. Wird in regelmäßigen Zeitabständen Kohlenstoff in der oben beschriebenen Weise verdampft, kann ein kontinuierliches Kristallwachstum erreicht werden.
Eine spezielle für die oben beschriebene Kristallzüchtung geeignete Glühlampe enthält eine größere Anzahl von Kohlenstoffdrähten, die nacheinander verdampft werden können; sie ist zudem als Brüter ausgebildet. Die einzelnen Kohlenstoffdrähte werden in regelmäßigen Zeitabständen durch gesteuerte Stromstoß verdampft. Während des Betriebs der Lampe wird diese systematisch evakuiert, um einen geeigneten -Partialdruck aufrechtzuerhalten, da beim Verdampfen der Kohlenstoffdrähte Fremdgase frei werden.
Der Keimkristall wird vorteilhafterweise im Zentrum der in der Glühlampe angeordneten Kohlenstoffdrähte angebracht. Auch bei diesem Verfahren bietet sich die Aktivierung des Zuchtkristalles in der einen oder der anderen oben beschriebenen Weise an.
Das wesentliche bei dieser Ausführungsform ist, daß die Glühlampe gleichzeitig als Brüter ausgebildet ist. Die in der Glühlampe erzeugten Kohlenstoff-Ionen werden aus dem Plasma mittels eines geeigneten Magnetfeldes abgezogen und in den eigentlichen Züchtraum mit dem Keimkristall gebracht. Die hierzu verwendete spezielle Einrichtung arbeitet praktisch als Massenspektrograph, der eine zusätzliche Abtrennung der C-Atome bewirkt, und der bei oben erwähnten Verfahren ebenfalls zur Anwendung kommt.
Allen oben aufgeführten Ausführungsformen liegt der einheitliche Erfindungsgedanke zugrunde, die Diamantkristallzüchtung unmittelbar aus dem Plasmazustand von Kohlenstoff vorzunehmen, ohne daß dazwischenliegende Aggregatzustände von den C-Atomen eingenommen werden.

Claims

Ansprüche

Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß Kohlenstoff in statu nascendi unmittelbar aus der Plasmaphase zur Einkristallbildung gebracht wird.
2. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Diamanteninkubator kohlenstoffhaltige Gase in die Plasmaphase überführt und die Eohlenstoffatome in statu nascendi in dem Diamanteninkubator zur Einkristallbildung gebracht werden.
3. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallzüchtung in dem Diamanteninkubator in einer Zone niedriger Temperatur erfolgt.
4. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabildung durch elektrische Energiezufuhr erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffplasma in einem Lichtbogen erzeugt wird.
6. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die emperatur des Plasmas im Lichtbogen durch Anlegen eines Stromes hoher Spannung und Stärke erhöht wird.
7. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffplasma in einem Crooks-Röhrchen bei niedrigem Druck erzeugt wird.
8. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Diamantensynthese geeignete kohlenstoffhaltige Gase durch chemische Umsetzung aus kohlenstoffhaltigen Verbindungen gewonnen werden.
9. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines kohlenstoffhaltigen Plasmas Kohlendioxyd und/oder Kohlenmonoxyd mittels Magnesium zu Kohlenstoff reduziert wird.
10. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung des Kristallwachstums Keimkristalle vorgesehen sind.
11. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kristallzüchtung Katalysatoren verwendet werden.
12. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator Nickel, Kobalt, Platin oder Nickelcarbid Verwendung finden.
13. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoren in Form von Dünnschichtfilmen bei der Kristallzüchtung eingesetzt werden.
14. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Kristallwachstumsprozesses die Dünnschichtfilme elektrisch geladen sind.
15. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung des Wachstumsprozesses der Einkristallbildung der Kristallkeim durch Elektronenbeschuß aktiviert wird.
16. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflußung des Wachstumsprozesses der Einkristallbildung der Keimkristall durch Lichtstrahlung aktiviert wird.
17 Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer speziellen Edison-Glühlampe Kohlenstoffdraht durch einen progressiv ansteigenden Stromstoß verdampft und mit Hilfe von über einen zusätzlichen Stromkreis zugeführter elektrischer Energie die Plasmatemperatur erhöht wird.
18. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallzüchtung in der als Diamantenbrüter ausgebildeten Edison-Glühlampe in einer Zone niedriger Temperatur erfolgt.
19. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Edison-Glühlampe erzeugten Kohlenstoff-Ionen aus dem Plasma mittels eines geeigneten Magnetfeldes in den Züchtraum abgezogen werden.
20. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabildung in einer Zone hoher Temperatur und die Eristallzüchtung in einer Zone niedriger Temperatur erfolgt.
21. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma durch Ausnutzung des Pintch-Effektes komprimiert wird.
22. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Magnetfeld eine Abtrennung und Überführung der Kohlenstoff-Ionen in den Züchtraum erfolgt.
23. Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Kohlenstoff-Ionen gesteuert wird.