DE69123894T2

DE69123894T2 - Verfahren für die Synthese von Diamant-Einkristallen von hoher Wärmeleitfähigkeit

Info

Publication number: DE69123894T2
Application number: DE69123894T
Authority: DE
Inventors: Takeru Nakashima; Kazuwo Tsuji
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-08-09
Filing date: 1991-08-08
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2011-08-09
Also published as: JP2940099B2; EP0470623A1; EP0470623B1; JPH0494731A; DE69123894D1; US5328548A

Description

Grundlagen zu der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Synthetisieren von Diamanteinkristallen hoher thermischer Leitfähigkeit mit wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff-12. Das Verfahren beeinhaltet ein Graphitisieren von amorphem Kohlenstoff von wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff-12 zur Bildung von hochkristallinem Kohlenstoff, der dann hoher Temperatur und Druck in einem Temperaturdifferenzverfahren unterworfen wird zur Bildung von synthetischen Diamanteinkristallen.

Beschreibung des Stands der Technik

Diamant weist die größte thermische Leitfähigkeit aller Materialien auf, und aufgrund dieser Eigenschaft wird Diamant üblicherweise als Wärmesenke in Hochleistungslasern oder als Fenstermaterial in CO&sub2;-Lasern verwendet, die beide eine gute Wärmeleitfähigkeit erfordern.
Kohlenstoff, der das Aufbauelement von Diamant ist, enthält jedoch inhärent ungefähr 1,1 Atom-% eines Isotops mit der Massenzahl 13, so daß die thermische Leitfähigkeit von natürlich vorkommendem Diamant kleiner ist als die des idealen Diamants, der nur aus Kohlenstoffatomen mit der Massenzahl 12 aufgebaut ist und einen Wert von nur ungefähr 20 W/cm K bei Zimmertemperatur aufweist. Falls ein perfekter Diamant, der nur aus Kohlenstoffatomen mit der Massenzahl 12 aufgebaut ist, hergestellt würde, wird erwartet, daß dieser eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 50W/cm K aufweisen würde (vgl. Diamond Research, S 7-13 (1976)).
Es ist beispielsweise aus der EP-A-0 206 820 bekannt, daß Diamant synthetisierbar ist durch Aussetzen einer Kohlenstoffquelle und eines Metalllösungsmittels an einen ultrahohen Druck und hohe Temperaturbedingungen, wobei Diamant thermodynamisch stabil ist.
Das Diamantsyntheseverfahren, das in der EP-A-0 206 820 beschrieben ist, beinhaltet die folgenden Verfahrensschritte:
a) Herstellen einer Kohlenstoffprobe mit wenigstens 99,9 % des Kohlenstoff-12 Isotops;
b) Graphitisieren des Kohlenstoffs durch Unterwerfen des Kohlenstoffs einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von ungefähr 2700ºC;
c) Mischen des graphitisierten Kohlenstoffs mit einem Eisen/Nickellegierungspulver zur Herstellung eines Kohlenstofflösungsmittels; und
d) Anordnen der Mischung in einer Hochtemperatur/-Hochdruckvorrichtung zum Synthetisieren von Diamant aus der Kohlenstofflösungsmittelmischung mit der Hilfe eines Diamantkeimkristalls, der an der Vorrichtung vorhanden ist.
Ein Temperaturdifferenzverfahren ist ein Syntheseverfahren der Wahl, das große und ausgezeichnete Diamantkristalle produzieren kann.
Der allgemeine Entwurf einer einfachen Zelle, die zur Durchführung eines derartigen Verfahrens verwendet wird, ist in der Fig. 4 gezeigt. Die Probenzelle in einer Ultrahochdruckvorrichtung enthält eine Kohlenstoffquelle 1 und einen Diamantkeimristall 2, zwischen denen ein Metalllösungsmittel 3, wie Fe, Ni oder Co vorgesehen ist. Während ultrahoher Druck über ein Druckausübemedium 5 ausgeübt wird, wird eine Heizvorrichtung 4 betrieben zum Erzeugen einer Temperaturdifferenz von mehreren 10ºC zwischen einem heißeren Teil der Kohlenstoffquelle 1 und einem kühleren Teil des Keimkristalls 2. Der in dem Metalllösungsmittel 3 gelöste Kohlenstoff wird zu dem kühleren Teil transportiert und Druck- und Temperaturbedingungen unterworfen, wo Diamant thermodynamisch stabil ist. Das bedeutet, daß Diamanteinkristalle an dem an einem Keimbett 6 gehalterten Keimkristall 2 gewachsen werden.
Um sicherzustellen, daß Diamanteinkristalle hoher thermischer Leitfähigkeit, die ausschließlich aus Kohlenstoffatomen mit der Massenzahl 12 aufgebaut sind, durch das Temperaturdifferenzverfahren und andere Verfahren der Diamantsynthese synthetisiert werden, muß Kohlenstoff mit der Massenzahl 12 als Kohlenstoffquelle verwendet werden.
Kohlenstoff mit der Massenzahl 12 wird herkömmlicherweise durch ein Verfahren hergestellt, das ein Abtrennen des gewünschten Kohlenstoffs aus Kohlenstoffmonoxid oder Methangas durch Massentrennung und dann ein Karbonisieren des abgetrennten Kohlenstoffs umfaßt. Die Reinheit des Produkts ist ungefähr 99,9-99,99 Atom-%. Jedoch ist der Kohlenstoff mit der Massenzahl 12, der durch dieses Verfahren erhalten wird, amorph mit geringer Kristallinität und besteht aus feinen Körnern.
Es wurden bereits Versuche unternommen, einen Diamanten hoher thermischer Leitfähigkeit und zur Verwendung dieses amorphen Kohlenstoffs mit wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 als Kohlenstoffquelle zu synthetisieren. Die unter Verwendung von amorphem Kohlenstoff gewachsenen Kristalle enthalten jedoch mehr Metalleinschlüsse und unregelmäßig geformte Kristalle als aus natürlichen und künstlichen Graphiten gewachsene Kristalle, die einen höheren Grad an Kristallinität bei der gleichen Korngröße aufweisen. Somit ist es schwierig, zufriendenstellende Kristalle mit dem amorphen Kohlenstoff zu erhalten. Eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen bestünde darin, daß die geringe Kristallinität der Kohlenstoffquelle die Rate seiner Lösung in das Metalllösungsmittel beeinflußt und es unmöglich macht, daß der Kohlenstoff unter einer ausreichenden Geschwindigkeit transportiert wird. Ein weiteres Problem mit dem amorphen Kohlenstoff besteht darin, daß er leicht verschiedene Verunreinigungsgase adsorbiert, die die Atmosphäre der Kohlenstoffsynthese kontaminieren. Dies ist ein Problem bei der in der EPA-0 206 820 gelehrten Diamantsynthese, da das Graphitisieren des Kohlenstoffs in einer Stickstoffatmosphäre stattfindet, wobei die Kohlenstoffquelle den Stickstoff adsorbieren wird. Daher wird der synthetisierte Diamant Stickstoff als Verunreinigung enthalten, der die thermische Leitfähigkeit des synthetisierten Diamanten absenken wird.
Eine verdichtete Kohlenstoffscheibe oder ein Preßkörper wird herkömmlicherweise als Kohlenstoffquelle verwendet, wobei jedoch die Teilchen des amorphen Kohlenstoffs mit wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 so klein sind, daß die Dichte des Preßkörpers nur auf ungefähr 1,1 g/cm³ verdichtet werden kann, was ungefähr die Hälfte der Dichte des Preßkörpers aus einem natürlichem Graphitpulver (2,0 g/cm³) ist. Als Folge davon weist der unter Ultrahochdruck-Diamantsynthesebedingungen angeordnetete Preßkörper eine kleinere Dicke auf als ein aus herkömmlichem Graphitpulver hergestellter Preßkörper. Dies verursacht kleinere Dickenschwankungen in dem Temperaturprofil nicht nur in der Richtung, in der Kohlenstoff gelöst wird, sondern auch in seiner Transportrichtung. Diese Veränderungen im Temperaturprofil machen es unmöglich, eine ausreichende Geschwindigkeit des Kohlenstofftransports zu erzielen, und folglich können keine zufriedenstellenden Diamantkristalle (wie sie in dem oben beschriebenen Fall erhalten wurden) erhalten werden. Weiter erfordert ein Preßkörper niedriger Dichte eine übermäßig große angewendete Last, um einen Druck von wenigstens 5,5 GPa (55 kbar) zu erzeugen, der zum Produzieren eines stabilen Diamanten notwendig ist. Dies verkürzt die Lebensdauer der Synthesevorrichtung und erhöht die Kosten der Diamantproduktion.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Synthetisieren von Diamanteinkristallen zu schaffen, wobei das Verfahren in der Lage ist, die Druckausübeeffizienz zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein die Merkmale des Anspruchs 1 enthaltenendes Verfahren. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen bezeichnet.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Graphitisieren von amorphem Kohlenstoff, der wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 enthält, bei einem Minimum von 1800ºC in einer inerten Gasatmosphäre und ein Unterwerfen des so erhaltenen hochkristallinen Kohlenstoffs einem hohen Druck und einer hohen Temperatur in einem Temperaturdifferenzverfahren zur Herstellung von synthetischen Diamanteinkristallen.
Erfindungsgemäß können ausgezeichnete Diamanteinkristalle unter Verwendung einer Kohlenstoffquelle synthetisiert werden, die wenigstens 99,9 Atom-% von Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 enthält. Diese Diamantkristalle haben eine thermische Leitfähigkeit, die wenigstens 1,5 Mal höher ist als jene von herkömmlichen synthetischen Diamanteinkristallen, und sie sind aus im wesentlichen stickstofffreien, neutralen Diamanten eines IIa-Typs aufgebaut.
Folglich können die Diamanteinkristalle hoher thermischer Leitfähigkeit, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden, vorteilhaft als wärmesenkende Materialien in Hochleistungslasern oder als Fenstermaterialien in CO&sub2;-Lasern verwendet werden. Aufgrund ihrer außergewöhnlich hohen thermischen Leitfähigkeit haben diese Diamanteinkristalle nicht nur eine höhere Lebensdauer, sondern sie leisten auch einen Beitrag zu einer ausgezeichneten Verbesserung in der insgesamten Vorrichtungszuverlässigkeit derartiger Lasergeräte. Die vorliegende Erfindung wurde unter den obigen Bedingungen erzielt und schafft ein Verfahren zur Diamantsynthese, das eine Kohlenstoffquelle verwendet, die wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 enthält und das in der Lage ist, ausgezeichnete Diamanteinkristalle herzustellen, die eine höhere thermische Leitfähigkeit als die herkömmlichen synthetischen Diamanteinkristalle aufweisen, und die frei sind von Metalleinschlüssen und Kristallen mit unregelmäßiger Form.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann gelöst werden durch ein Verfahren zum Synthetisieren von Diamanteinkristallen unter Verwendung einer Kohlenstoffquelle, die wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 enthält, in Anwesenheit eines Metalllösungsmittels unter Temperatur- und Druckbedingungen, bei denen der Diamant thermodynamisch stabil ist. Dieses Verfahren beeinhaltet ein Graphitisieren von amorphem Kohlenstoff, der wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 enthält, bei einem Minimum von 1800ºC in einer inerten Gasatmosphäre und unter Verwendung des so erhaltenen hochkristallinen Kohlenstoffs als Kohlenstoffquelle.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Temperatur zum Graphitisieren von amorphem Kohlenstoff, der wenigistens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit der Massenzahl 12 enthält, und der Halbwertsbreite einer (002) Beugungslinie bei der Röntgenstrahlbeugung, die die Kristallinität des erhaltenen hochkristallinen Kohlenstoffs darstellt.
Fig. 2 ist ein Röntgenstrahlbeugungsmuster eines Pulvers aus amorphem Kohlenstoffs, das wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 enthält.
Fig. 3 ist ein Röntgenstrahlbeugungsmuster des hochkristallinen Kohlenstoffs, der durch Graphitisieren des Pulvers aus amorphem Kohlenstoffpulver bei 2700ºC erhalten wird.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die allgemeine Auslegung einer Probenzelle zeigt, die in der Diamantsynthese mittels eines Temperaturdifferenzverfahrens verwendet wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist allgemein bekannt, daß eine Graphitisierung zum Verstärken der Kristallinität von Kohlenstoff wirksam ist. Jedoch verändert sich die geeignete Bearbeitungstemperatur üblicherweise mit einem bestimmten Kohlenstoffmaterial. Bisher war nichts bekannt über die Temperatur, bei der amorpher Kohlenstoff, der wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 enthält, kristallinisiert werden kann, insbesondere zu einem Ausmaß, das für die Diamantsynthese wirksam ist.
Die vorliegenden Erfinder führten deshalb Experimente durch, bei denen amorpher Kohlenstoff, der wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 enthält und der erhalten wurde durch Verkokung (Karbonisierung), die einer Trennung durch Massenanalyse von Kohlenstoff aus Kohlenmonoxid oder Methangas folgte, bei verschiedenen Temperaturen graphitsiert wurde. Diamanten wurden synthetisiert unter Verwendung der sich daraus ergebenenden Kohlenstoffquellen, die unterschiedlich hohe Grade an Kristallinität aufwiesen. Als Folge davon hat sich herausgestellt, daß ausgezeichnete Diamanteinkristalle mit hoher thermischer Leitfähigkeit synthetisierbar waren unter Verwendung des hochkristallinen Kohlenstoffs, der durch Graphitsierung bei Temperaturen von 1800ºC und darüber erhalten wurde, als Kohlenstoffquelle.
Die vorliegenden Erfinder prüften auch die Beziehung zwischen der Temperatur zum Graphitisieren und dem Grad der Kristallinität von hochkristallinem Kohlenstoff, wie es durch die Halbwertsbreite einer (002) Beugungslinie in ihrem Röntgenstrahlbeugungsmuster ausgedrückt wird. Ein Ergebnis davon ist in der Fig. 1 gezeigt, aus der man sehen kann, daß der Grad der Kristallinität mit zunehmender Graphitisierungstemperatur erhöht ist, und daß bei 1800ºC und darüber die Halbwertsbreite einer (002) Beugungslinie in den Röntgenstrahlbeugungsmustern 0,5 Grad und kleiner war. Für die Röntgenstrahlbeugung wurde Kupfer als Anodenmaterial verwendet, und es wurde eine Kα Linie bei einer Beschleunigungsspannung von 40 kV verwendet. Die (002) Beugungslinie ist die Beugungslinie der Röntgenstrahlen, die von einer (002) Fläche eines Graphitkristalls gemäß dem Bragg'schen Gesetz gebeugt wird.
Die Fig. 2 zeigt ein Röntgenstrahlbeugungsmuster des herkömmlichen amporphen Kohlenstoffpulvers, das wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 enthält, das einer Röntgenstrahlbeugung unter den obenbezeichneten Bedingungen unterworfen wurde. Die Halbwertsbreite einer (002) Beugungslinie beträgt 1,2 Grad, was eine sehr geringe Kristallinität des Graphits anzeigt. Wenn dieses amorphe Kohlenstoffpulver in einer Argonatmosphäre bei 2700ºC für 2 Stunden graphitisiert wurde, wurde ein Kohlenstoffpulver erhalten, das wie in der Fig. 3 gezeigt, eine Halbwertsbreite einer (002) Beugungslinie auf 0,24 Grad veringert hatte, wodurch somit eine wesentliche Verbesserung in der Kristallinität erzielt wurde. Bei der Graphitisierung ist der Druck des Argongases normalerweise bei atmosphärischem Druck. Ein Stickstoffgas kann anstelle des Argongases verwendet werden. Das Argongas ist jedoch am meisten bevorzugt. Eine minimale Zeit der Graphitisierung hängt von der Temperatur ab, und wird kurz, wenn die Temperatur hoch ist. Die minimale Zeit beträgt ungefähr 30 Minuten.
Die Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die den allgemeinen Entwurf einer Probenzelle zeigt, die bei der Diamantsynthese durch ein Temperaturdifferenzverfahren verwendet wird. Bestimmte Teile in der Fig. 4 sind wie folgt bezeichnet:
1: Kohlenstoffquelle;
2. Keimkristall;
3: Metalllösungsmittel;
4: Heizvorrichtung;
5: Druckausübemedium; und
6: Keimbett.
Somit kann hochkristalliner Kohlenstoff aus wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 durch Durchführen einer Graphitisierung auf die obenbeschriebene Weise erhalten werden. Der erhaltene Kohlenstoff weist eine gute Kristallinität des Graphits auf und desorbiert nur eine kleine Menge an Verunreinigungsgasen im Vergleich zu einer Graphitisierung auf herkömmliche Weise von Kohlenstoff mit wenigstens 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12. Als weiterer Vorteil kann dieser Kohlenstoff auf höhere Dichte kompaktiert werden als das herkömmliche Pulver aus amorphem Kohlenstoff. Daher kann durch Verwendung dieses hochkristallinen Kohlenstoffs als Kohlenstoffquelle die geeignete Rate der Kohlenstoffauflösung und - transports unter Diamantsynthesebedingungen erhalten werden. Weiter können Diamanteinkristalle mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit synthetisiert werden, die eine gute Qualität aufweisen und frei von Metalleinschlüssen und von Kristallen unregelmäßiger Form sind. Diese Diamanteinkristalle enthalten wenigstens 99,9 Prozent Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12. Die Dichte von kompaktiertem Kohlenstoff ist vorzugsweise 1,2-2,2 g/cm³.
Diamanteinkristalle, die durch die herkömmlichen Syntheseverfahren erhalten werden, enthalten normalerweise 10-100 ppm Stickstoff als Verunreinigung. Obwohl diese Stickstoffverunreinigung ähnlich ist zu Kohlenstoff mit einer Massenzahl 13, indem sie die thermische Leitfähigkeit von Diamant absenkt, ist der Effekt des Stickstoffs klein, da sein Anteil um Größenordnungen kleiner ist als der von ¹³C.
Trotzdem kann eine weitere Verbesserung in der thermischen Leitfähigkeit erzielt werden, wenn die Stickstoffverunreinigung vollständig eliminiert wird. Dabei werden einem herkömmlichen Metalllösungsmittel, wie Fe, Ni oder Co, 1-5 Gew.-% von Al, Zr oder Ti hinzugefügt, die als Stickstoffsammler wirken, und das sich ergebende Fe-4Al, Fe-30Ni-2Al, etc. kann dazu verwendet werden, den Stickstoffanteil auf ein ppm und darunter zu verringern.

BEISPIELE

Beispiel 1

Ein Pulver aus amorphem Kohlenstoff (Produkt der ISOTEC Inc.), das 99,9 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 12 (¹²C) enthält, wurde in einer Argongasatmosphäre bei 2400ºC für zwei Stunden graphitisiert, um ein hochkristallines Kohlenstoffpulver herzustellen.
Die Kristallinität dieses Pulvers betrug 0,28 Grad gemäß einer Darstellung durch die Halbwertsbreite einer (002) Beugungslinie in seinem Muster der Röntgenstrahlbeugung, die unter Verwendung von Kupfer als Anodenmaterial durchgeführt wurde, und eine Kα Linie bei einer Beschleunigungsspannung von 40 kV verwendet. Dieses hochkristalline Kohlenstoffpulver wurde bei 49 MPa (5 t/cm²) in einen scheibenförmigen Preßkörper gepreßt, der 7 mm Durchmesser und 3 mm Dicke maß und eine Dichte von 1,6 g/cm³ aufwies.
Der Preßkörper wurde als Kohlenstoffquelle 1 in der Probenzelle in einer Ultrahochdruckerzeugungsvorrichtung verwendet, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. Darunter und in Kontakt mit der Kohlenstoffquelle 1 war ein Metalllösungsmittel 3 angeordnet, das aus einer Fe-42Ni-Legierung hergestellt war, die 7 mm Durchmesser und 5 mm Dicke maß. Darunter und in Kontakt mit dem Metalllösungsmittel 3 war ein Diamantkeimkristall 2 mit einer Größe von 500 µm angeordnet, der in einem Keimbett 6 aus NaCl eingegraben war, das im Durchmesser 7 mm und in der Dicke 2 mm maß. Die sich ergebende Probe wurde für 50 Stunden unter einem Druck von 5,2 GPa (52 kbar) und bei einer Temperatur von 1400ºC (was eine Temperaturdifferenz von ungefähr 50ºC zwischen der Kohlenstoffquelle 1 und dem Keimkristall 2 erzeugte) gehalten.Die zum Erzeugen des Drucks von 5,2 GPa (52 kbar) notwendige Last betrug 450 Tonnen. Nachdem die Temperatur und der Druck auf den Umgebungswert verringert waren, wurde die Probe wiedergewonnen und Diamant wurde durch Weglösen des Metalllösungsmittel mit Königswasser extrahiert. (Im allgemeinen weist der auf die Probe angewendete Druck wenigstens einen solchen Wert auf, wie er durch eine Gleichgewichtszustandslinie von Diamant und Graphit bestimmt ist. Die auf die Probe angewendete Temperatur weist wenigstens einen solchen Wert auf, wie sie durch einen Schmelzpunkt eines verwendeten Lösungsmittels bestimmt ist. Die Probe wird für ungefähr 10-15 Stunden für eine Größe von 0,66 Karat bei diesen Bedingungen gehalten, ungefähr 50-100 Stunden für eine Größe von 1-2 Karat, und ungefähr 100-200 Stunden für eine Größe von 10 Karat.)
Der extrahierte Diamant wog 0,66 Karat und umfaßte einen gelben Einkristall, der frei war von Metalleinschlüssen und Kristallen unregelmäßiger Form, und der ungefähr 60 ppm Stickstoff enthielt. Dieser Diamanteinkristall wurde in ein rechteckiges Parallelepiped (2 x 2 x 3 mm) geschnitten und seine thermische Leitfähigkeit stellte sich zu 28 W/cm K heraus bei Messung durch ein Verfahren, das ein Messen des Temperaturgradienten der Probe unter einem Gleichgewichtswärmeflußzustand und sein Vergleichen mit dem Referenzgradienten umfaßte. Die gemessene thermische Leitfähigkeit war 1,4 mal so hoch wie der Wert des herkömmlichen Diamanteinkristalls, der 1,1 Atom-% Kohlenstoff mit einer Massenzahl 13 (¹³C) enthält.

Beispiel 2

Ein Pulver aus amorphen Kohlenstoff, das 99,9 Atom-% ¹²C enthält, wurde wie in Beispiel 1 graphitisiert, mit der Ausnahme, daß die Bearbeitungstemperatur 1800ºC betrug. Die Kristallinität des sich ergebenden hochkristallinen Kohlenstoffpulvers betrug 0,47 Grad gemäß einer Darstellung durch die Halbwertsbreite einer (002) Beugungslinie in ihrem Muster einer Röntgenstrahlbeugung, die unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt wurde. Dieses hochkristalline Kohlenstoffpulver wurde kompaktiert und einer Diamantsynthese wie in Beispiel 1 unterworfen. Der Preßkörper wies eine Dichte von 1,4 g/cm³ auf. Die zum Erzeugen eines Synthesedrucks von 5,2 GPa (52 kbar) notwendige Last betrug 470 Tonnen.
Der synthetisierte Diamant wog 0,53 Karat und umfaßte einen zufriedenstellenden gelben Einkristall, obwohl er eine kleine Menge von Metalleinschlüssen enthielt.

Vergleichsbeispiele

Eine Diamantsynthese wurde wie in Beispiel 1 unter Verwendung von 2 Kohlenstoffpulvern versucht: eines war das gleiche Pulver aus amorphem Kohlenstoff, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde, das 99,9 Atom-% ¹²C enthielt, und das andere war ein hochkristallines Kohlenstoffpulver, das durch Graphitisieren des Pulvers aus amorphem Kohlenstoff, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde, erhalten wurde, mit der Ausnahme, das die Bearbeitungstemperatur 1600ºC betrug.
Das zuerst erwähnte Kohlenstoffpulver wies eine Halbwertsbreite von 1,2 Grad für eine (002) Beugungslinie in seinem Muster einer Röntgenstrahlbeugung auf, die unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 durchgeführt wurde, wogegen das als zweites erwähnte Kohlenstoffpulver eine Halbwertsbreite von 1,0 Grad für die gleiche Beugungslinie aufwies. Der Preßkörper des ersten Kohlenstoffpulvers hat eine Dichte von 1,1 g/cm³, wogegen der des zweiten Kohlenstoffpulvers eine Dichte von 1,2 g/cm³ aufwies.
Es wurde ein Versuch unternommen, Diamant unter Verwendung des Preßstoffs des ersten Kohlenstoffpulvers bei einer Temperatur von 1300ºC unter einer Last von 500 Tonnen zu synthetisieren, wobei jedoch der erzeugte Druck geringer war als 5,2 GPa (52 kbar), und es wurde kein Diamant erhalten, sondern es wurde nur Graphit um den Keimkristall herum gebildet. Wenn der Preßstoff des zweiten Kohlenstoffpulvers einer Diamantsynthese bei einer Temperatur von 1300ºC unter einer Last von 500 Tonnen unterworfen wurde, wurden 3 Kristalle mit unregelmäßiger Form an dem Keimkristall gebildet, jedoch konnte kein zufriedenstellender Diamanteinkristall erhalten werden.

Beispiel 3

Ein Pulver aus amorphem Kohlenstoff, das 99,9 Atom-% ¹²C enthält, wurde wie in Beispiel 1 graphitisiert, mit der Ausnahme, daß die Verarbeitungstemperatur 2700ºC betrug. Die Kristallinität des sich ergebenden hochkristallinen Kohlenstoffpulvers betrug 0,24 Grad bei Darstellung durch die Halbwertsbreite einer (002) Beugungslinie in seinem Muster einer Röntgenstrahlbeugung, die unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt wurde. Dieses Pulver aus hochkristallinem Kohlenstoff wurde wie in Beispiel 1 kompaktiert und der sich ergebende Kompaktierungsstoff wies eine Dichte von 1,65 g/cm³ auf, wobei Fe-4Al als Metalllösungsmittel verwendet wurde. Dieser Kompaktierungsstoff wurde einer Temperatur von 1450ºC für ungefähr 60 Stunden unter einem Druck von 5,3 GPa (53 kbar) ausgesetzt, der durch eine einwirkende Last von 450 Tonnen erzeugt wurde.
Der derart synthetisierte Diamant wog 0,72 Karat und umfaßte einen zufriedenstellenden, farblosen klaren Einkristall, der vollständig frei war von Metalleinschlüssen und im wesentlichen frei von Stickstoffverunreinigungen. Dieser Einkristall wurde zu einem rechteckigem Parallelepiped (2,5 x 2,5 x 3 mm) zugeschnitten, und seine thermische Leitfähigkeit wurde durch das gleiche Verfahren gemessen, das in Beispiel 1 verwendet wurde. Der in Beispiel 3 synthetisierte Diamant zeigte eine thermische Leitfähigkeit von 32 W/cm K, was sogar noch höher ist als die des in Beispiel 1 erhaltenen, Stickstoff enthaltenden Produkts.

Claims

1. Ein Verfahren zum Synthetisieren von Diamanteinkristallen mit den folgenden Schritten:

a) Abtrennen von Kohlenstoff, der 99,9 Atomprozent C-12 enthält, aus Kohlenmonoxid und/oder Methan;

b) Erzeugen von amorphem Kohlenstoff mit wenigstens 99,9 Atomprozent C-12 aus dem abgetrennten Kohlenstoff von Schritt a);

c) Graphitisieren des amorphen Kohlenstoffs mit wenigstens 99,9 Atomprozent C-12 in einer inerten Gasatmosphäre bei einer Temperatur von wenigstens 1.800ºC zur Bildung kristallinen Kohlenstoffs;

d) Ausüben von Druck auf den kristallinen Kohlenstoff unter einem Druck von nicht weniger als 49 MPa (5 Tonnen/cm²) zur Bildung eines Kohlenstoffpreßkörpers mit einer Dichte von 1,4 bis 2,2 g/cm³;

e) Plazieren des Preßkörpers in einer Ultrahochdruckvorrichtung mit einem Diamantkeimkristall und einem Metall- Lösungsmittel, wobei das Metall-Lösungsmittel 1 bis 5 Gewichtsprozent Al, Zr oder Ti umfaßt und zwischen dem Preßkörper und dem Keimkristall angeordnet ist; und

f) Ausüben eines ultrahohen Drucks auf den Preßkörper, das Lösungsmittel und den Keimkristall, während eine Temperaturdifferenz zwischen einem Gebiet des Preßkörpers und einem Gebiet des Keimkristalls erzeugt wird, wobei Kohlenstoff aus dem Preßkörper sich in dem Metall-Lösungsmittel löst und zu dem Keimkristall bewegt zur Bildung wenigstens eines Diamanteinkristalls auf dem Keimkristall, wobei der Diamanteinkristall eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 28,0 W/cm K aufweist.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der kristalline Kohlenstoff nicht mehr als 0,5 Grad Halbwertsbreite einer (002)- Beugungslinie in einem Röntgenstrahlbeugungsmuster des Kohlenstoffs aufweist.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Metall-Lösungsmittel weiter ein aus der Fe, Ni oder Co umfassenden Gruppe ausgewähltes Metall umfaßt.