JP2003137686A - ダイヤモンド窓 - Google Patents

ダイヤモンド窓

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JP2003137686A
JP2003137686A JP2001330848A JP2001330848A JP2003137686A JP 2003137686 A JP2003137686 A JP 2003137686A JP 2001330848 A JP2001330848 A JP 2001330848A JP 2001330848 A JP2001330848 A JP 2001330848A JP 2003137686 A JP2003137686 A JP 2003137686A
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diamond
ppm
fluorescence
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nitrogen
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Hitoshi Sumiya
均 角谷
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザーを照射したときに発生する蛍光が極
めて少なく、かつ低価格のダイヤモンド窓を提供する。 【解決手段】 温度差法により合成されたダイヤモンド
単結晶から作製されたダイヤモンド窓であって、窒素含
有量を3〜300ppmとし、Ni含有量を3ppm以下とする。こ
のようなダイヤモンド窓は、温度差法により、実質的に
Niを含まない溶媒を用いて、窒素ゲッターを添加するこ
となくダイヤモンドを合成することで得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、超高圧発生用ダイ
ヤモンドアンビルや高圧容器用ダイヤモンド窓、コンプ
レッションセル用ダイヤモンドなどのダイヤモンド窓に
関するものである。特に、レーザーを照射したときに発
生する蛍光が極めて少なく、かつ低価格のダイヤモンド
窓に関するものである。 【0002】 【従来の技術】従来の超高圧発生用ダイヤモンドアンビ
ルや高圧容器用のダイヤモンド窓は、天然ダイヤモンド
結晶の中から適当な原石を選択し、製作されたものであ
った。また、ごく一部では、合成ダイヤモンドが使用さ
れている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の天然ま
たは合成ダイヤモンドでは、次のような問題があった。
天然ダイヤモンドは結晶欠陥や不純物が多く、これらは
圧縮による破壊の起点となる。そのため、従来の天然ダ
イヤモンド製アンビルや高圧容器用ダイヤモンド窓は、
品質が安定せず、発生可能圧力や寿命が大きくバラつ
く。また、不純物や欠陥を多量に含むため、光学的な測
定に問題がある。例えば、ラマン分光測定時や、光ルミ
ネッセンス測定のため、アルゴンイオンレーザーなどの
励起光をアンビルに装入した試料部に照射した場合、ア
ンビルや窓のダイヤモンドから蛍光が発生し、試料部か
らの微弱なシグナルが検出できなくなる。 【0004】一方、合成ダイヤモンドでは、合成Ib型ダ
イヤモンド(窒素不純物を数十ppm〜数百ppm含み、黄色
を呈す)が市販されているが、レーザーを照射するとダ
イヤモンドから多くの蛍光が発する。また、合成ではII
a型ダイヤモンド(不純物が数ppm以下で、無色透明であ
る)も最近市販されるようになった。IIa型ダイヤモン
ドは不純物や結晶欠陥が非常に少ないため、ダイヤモン
ドアンビルとして特性上優れている。例えば、特開平11
-300194号公報には不純物量3ppm以下のIIa型のダイヤモ
ンドアンビルが示されている。しかし、高純度な合成II
a型ダイヤモンドは、製造コストが合成Ib型ダイヤモン
ドの数倍と非常に高価であると言う問題があった。 【0005】従って、本発明の主目的は、レーザーを照
射したときに発生する蛍光が極めて少なく、かつ低価格
のダイヤモンド窓を提供することにある。 【0006】 【課題を解決するための手段】本発明は、不純物である
窒素とNiの含有量を規定することで上記の目的を達成す
る。 【0007】すなわち、本発明ダイヤモンド窓は、温度
差法により合成されたダイヤモンド単結晶から作製され
たダイヤモンド窓であって、窒素含有量を3〜300ppmと
し、Ni含有量を3ppm以下としたことを特徴とする。 【0008】本発明者らは、合成Ib型ダイヤモンドの蛍
光(ルミネッセンス)の原因を調査したところ、以下の
ことが判った。 【0009】市販されている合成Ib型ダイヤモンドは、
ほとんどがNiを不純物として含む。ダイヤモンドの合成
時、Fe−NiやNi−MnなどのNiを含む溶媒が一般的に溶媒
として使用されるが、Niは合成ダイヤモンドに取り込ま
れ、固溶しやすい元素であるためである。CoやFe−Co溶
媒で合成される場合も、溶媒に不純物として微量のNiが
含まれ、ダイヤモンド中にも不純物として取り込まれ
る。 【0010】本発明者らは、このNi不純物とダイヤモン
ドの主要な不純物である窒素が共存する場合に強い蛍光
を発することを見い出した。すなわち、高圧高温下での
温度差法により、溶媒種および窒素ゲッターの添加量を
変えて合成した各種のダイヤモンド単結晶を試料とし
て、顕微ラマン分光器によりその蛍光レベルを評価し
た。その結果、Ni不純物を含まないFe−Co溶媒で、窒素
ゲッターの添加量を変えて合成した窒素不純物量0−300
ppmの合成ダイヤモンドでは、何れも蛍光が非常に弱い
ことがわかった。一方、Niを含む溶媒で、窒素ゲッター
を添加せずに合成したIb型ダイヤモンド(窒素量3−300
ppm)は蛍光が強く、結晶による蛍光強度の違い、およ
び同一結晶内での場所による蛍光強度の違いも大きいこ
とがわかった。 【0011】このようにNiを不純物として含むダイヤモ
ンドの場合は、蛍光強度は窒素不純物量と明確な関係が
あり、窒素不純物量の増加とともに蛍光レベルが高くな
り、逆に窒素不純物を除去するとほとんど蛍光は見られ
なくなることがわかった。これらの結果から、合成Ib型
ダイヤモンドの強い蛍光は、窒素不純物が関与したNi不
純物が主要因と考えられる。 【0012】ダイヤモンド中のNi不純物は3ppm以下、好
ましくは1ppm以下である。3ppmを越えると蛍光強度が強
くなって微弱なラマンスペクトル線の検出が困難とな
る。また、Ib型ダイヤモンド中の窒素不純物量は合成条
件、溶媒種によって異なるが、一般に3ppm〜300ppm程度
である。より好ましい窒素不純物量は200ppm以下であ
る。 【0013】上記の本発明ダイヤモンド窓は、温度差法
によりNi含有量が200ppm以下の溶媒で窒素ゲッターを用
いることなく合成することにより得られる。温度差法
は、高温部に炭素源、低温部にダイヤモンドの種結晶を
配置し、炭素源と種結晶との間に溶媒を配して、この溶
媒が溶解する温度以上でダイヤモンドが熱的に安定にな
る圧力以上の条件に保持して種結晶上にダイヤモンドを
成長させる合成方法である。一般に、炭素源にはダイヤ
モンド粉末が用いられる。また、溶媒にはFe、Co、Mnお
よびCrよりなる群から選択される少なくとも一種が用い
られ、Niを意図的に含有せず、かつNi不純物量が100〜2
00ppmと少ない高純度なFe、Co、Mn、Cr金属を用いるこ
とで、Ni含有量を200ppm以下とすることができる。窒素
ゲッターには、Ti、Zr、Hf、V、Nb、AlおよびTaよりな
る群から選択される少なくとも一種が挙げられる。この
温度差法による一般的な合成条件は、温度:1300〜1500
℃、圧力:5〜6.5GPa程度である。 【0014】市販されている合成IIa型ダイヤモンドの
原石価格は、上記Ib型ダイヤモンドの原石価格の5倍以
上と非常に高価である。IIa型のダイヤモンドを合成す
るためにはTiやAlなどの窒素ゲッターを溶媒に添加する
必要がある。この場合、溶媒がダイヤモンド結晶中に取
り込まれ易い状態になり、良質な結晶を合成するには、
成長速度を大幅に低減する必要があるからである。本発
明ではNi含有量を制限した溶媒を用い、窒素ゲッターの
添加なしにダイヤモンドを合成することで、価格は従来
のIb型ダイヤモンドと同等でありながら、蛍光は合成II
a型ダイヤモンドと同レベルに低減することができる。 【0015】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 <実施例1>超高圧高温下での温度差法で、Ni含有量160
ppmのFe−40質量%Co合金を溶媒として用いて、圧力5.5
GPa、温度1350℃、成長速度4mg/hrで、約1カラットのIb
型ダイヤモンド結晶を合成した。赤外分光分析で窒素不
純物量を見積もると120ppmであった。また、Ni不純物量
をESR(Electron Spin Resonance)装置で測定すると
約0.7ppmであった。この結晶の顕微ラマン分光器で散乱
スペクトルを測定(励起光源;Arレーザー488nm発振
線)し、その時の蛍光レベルを評価した。その結果、蛍
光レベルは非常に小さく、蛍光によるバックグラウンド
の強度はダイヤモンドの2次ラマンピーク強度に対し0.1
以下とかなり小さいことがわかった。 【0016】このダイヤモンド結晶から、直径3mm、高
さ2mm、先端面50μm(2段テーパー)のダイヤモンドア
ンビルを作製し、超高圧下でのラマン測定実験を行っ
た。その結果、100GPaの超高圧下でも、応力誘起による
蛍光がほとんど見られず測定試料からの微弱なラマン分
光分析が十分可能で、超高圧下で微弱化してしまう圧力
評価用ルビー蛍光スペクトルの測定も問題なく行えた。 【0017】<実施例2>超高圧高温下での温度差法
で、Ni含有量180ppmのFe−80質量%Co合金を溶媒として
用いて、実施例1と同様に、圧力5.5GPa、温度1350℃、
成長速度4mg/hrで、約1カラットのIb型ダイヤモンド結
晶を合成した。赤外分光分析で窒素不純物量を見積もる
と180ppmであった。また、Ni不純物量をESRで測定する
と約1.2ppmであった。この結晶の顕微ラマン分光器で散
乱スペクトルと蛍光を測定(励起光源;Arレーザー48
8nm発振線)したところ、蛍光によるバックグラウンド
の強度はダイヤモンドの2次ラマンピーク強度に対し0.2
程度と低いことがわかった。 【0018】このダイヤモンド結晶から、実施例1と同
様のダイヤモンドアンビルを作製し、超高圧下でのラマ
ン測定実験を行った。その結果、100GPaの超高圧下で
も、応力誘起による蛍光がほとんど見られず、測定試料
からの微弱なラマン分光の測定や、微弱化した圧力評価
用ルビー蛍光スペクトルの測定が問題なく行えた。 【0019】<実施例3>超高圧高温下での温度差法
で、Ni含有量180ppmのFe−20質量%Co合金を溶媒として
用いて、実施例1と同様に、圧力5.5GPa、温度1400℃、
成長速度4mg/hrで、約1カラットのIb型ダイヤモンド結
晶を合成した。赤外分光分析で窒素不純物量を見積もる
と30ppmであった。また、Ni不純物量をESRで測定すると
約0.3ppmであった。この結晶の顕微ラマン分光器で散乱
スペクトルと蛍光を測定(励起光源;Arレーザー488n
m発振線)したところ、蛍光によるバックグラウンドの
強度はダイヤモンドの2次ラマンピーク強度に対し0.05
以下と非常に低いことがわかった。 【0020】このダイヤモンド結晶から、実施例1と同
様のダイヤモンドアンビルを作製し、超高圧下でのラマ
ン測定実験を行った。その結果、100GPaの超高圧下で
も、応力誘起による蛍光がほとんど見られず、測定試料
からの微弱なラマン分光の測定や、微弱化した圧力評価
用ルビー蛍光スペクトルの測定が問題なく行えた。 【0021】<比較例1>超高圧高温下での温度差法
で、Fe−40質量%Ni合金を溶媒として用いて、圧力5.5G
Pa、温度1350℃、成長速度4mg/hrで、約1カラットのIb
型ダイヤモンド結晶を合成した。赤外分光分析で窒素不
純物量を見積もると150ppmであった。また、Ni不純物量
をESRで測定すると約20ppmであった。この結晶の顕微ラ
マン分光器で散乱スペクトルを測定(励起光源;Ar
ーザー488nm発振線)し、その時の蛍光レベルを評価し
た。その結果、蛍光レベルはかなり強く、結晶内の場所
による違いも大きかった。蛍光によるバックグラウンド
によりダイヤモンドの2次ラマンピークは検出できなか
った。 【0022】 【発明の効果】以上説明したように、本発明ダイヤモン
ド窓によれば、低蛍光のダイヤモンドを従来の合成Ib型
ダイヤモンドと同様の価格で供給できる。従って、本発
明ダイヤモンド窓を超高圧用アンビルや高圧容器用窓、
コンプレッションセル用窓とすることで、超高圧下の固
体や液体のラマン散乱測定や光ルミネッセンス測定など
の極限環境下での光学測定が可能となる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 温度差法により合成されたダイヤモンド
    単結晶から作製されたダイヤモンド窓であって、 窒素含有量が3〜300ppmで、 Ni含有量が3ppm以下であることを特徴とするダイヤモン
    ド窓。
JP2001330848A 2001-10-29 2001-10-29 ダイヤモンド窓 Pending JP2003137686A (ja)

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