JP4711634B2 - ダイヤモンドの合成方法と装置並びにダイヤモンド合成用電極とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はダイヤモンドの合成方法と装置並びにダイヤモンド合成用電極とその製造方法に関し、例えばガラス基板等の非晶質基板上にも合成ダイヤモンド薄膜や、粒状ダイヤモンドを形成する事ができるダイヤモンドの合成に関する。

ダイヤモンドは、優れた耐磨耗性、高硬度、高熱伝導性を有するので、各種の機能性材料として用いられている。例えば、耐磨耗性と高硬度を生かして工作工具、切削工具として利用されている。また、ダイヤモンドの高い熱伝導性を生かしてヒートシンクへ応用され、半導体特性を生かして電子デバイスへ利用される。

基板上に合成ダイヤモンド薄膜を形成する気相合成法が知られている。従来の合成ダイヤモンド薄膜の気相合成法は、反応容器内に原料気体を導入し、同時に反応気体を排出する、いわゆる「フロー系」であった。この方法では合成中における強い気体流が、安定なダイヤモンドの合成を阻害するので、非常にダイヤモンドを形成しやすい基板の上にしか合成ダイヤモンド薄膜を合成できなかった。また従来の合成ダイヤモンド薄膜の合成法により合成ダイヤモンド薄膜を形成可能な基板材料は、シリコン等の半導体、モリブデン、タングステン等の金属、サファイヤ等の単結晶である。従来の方法では、ガラス等の非晶質体やセラミック基板上に合成ダイヤモンド薄膜が形成されない。光学材料として応用範囲が広いガラス基板上にダイヤモンド薄膜が合成できれば、その耐磨耗性により、著しく保護効果に優れた保護膜として機能し、レンズ等の応用範囲が大幅に拡大する。また、高い集積度が求められる液晶表示板等への用途における障害となっている放熱性を、ガラス基板上に材料中で最も熱伝導性に優れた人工ダイヤモンドの被服膜を形成することで解決できる可能性も高い。

本発明は、ガラス等の非晶質基板など各種の材料よりなる基板上に合成ダイヤモンド薄膜を形成することができるダイヤモンドの合成方法及びそのための合成装置並びにダイヤモンド合成用電極とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、１対の電極であって、その少なくとも一方に複合炭素材料を用いたものを互いに近接して配置し、両電極間でスパークさせて、炭素を昇華し堆積させてなるダイヤモンドの合成方法が提供される。

前述の電極間のスパークは、希薄な水素雰囲気内で行われることが望ましい。

本発明によれば、一対の電極であって、その少なくとも一方に複合炭素材料が用いられ互いに近接して配置されたものと、両電極間でスパークさせるための電流を発生する電源とを具備するダイヤモンドの合成装置もまた提供される。

本発明によれば、アモルファス炭素および該アモルファス炭素中に均一に分散した炭素粉末を含むダイヤモンドの合成用電極もまた提供される。

本発明によれば、炭素含有樹脂に炭素粉末を混合し、混合物を炭素化してなるダイヤモンド合成用電極の製造方法もまた提供される。

前述の電極の形状は例えば、円柱状、円錐台状、円柱の先端の所定の長さの部分の径を小さくした二段円柱状、マイナスドライバー形状、板状、コイル状である。

前述の複合炭素材料は例えばアモルファス炭素および該アモルファス炭素中に均一に分散した炭素粉末を含む。

前述の炭素粉末は、好ましくは黒鉛などの非アモルファスまたは結晶性の炭素粉末であり、例えば、カーボンブラック、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバおよびコークスからより成る群より選ばれた少なくとも一種である。

前述の炭素含有樹脂は例えば、三次元架橋を持つ有機樹脂材料や、固相炭化する天然有機材料等であり具体的には、有機高分子物質及び、そのモノマー・オリゴマー類、タール・ピッチ類、乾留ピッチ類、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂の初期重合体類、等の一種または、二種以上の混合物である。

ここで、有機高分子物質としては、後記する熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂以外の物質で、リグニン、セルロース、トラガントガム、アラビアガム、天然ガム及びその誘導体、糖類、キチン、キトサン等のごとき縮合多環芳香族を分子の基本構造内に持つ化合物及び、ナフタレンスルフォン酸のホルマリン縮合物、ジニトロナフタレン、ピレン、ピラントロン、ビオラントロン、ベンゾアントロン等から誘導されるインダンスレン系建染染料及びその中間体である。

熱可塑性樹脂類としては、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、後塩素化ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリ塩化ビニル・酢酸ビニル共重合体、等の通常の熱可塑性樹脂及びポリフェニレンオキサイド、ポリパラキシレン、ポリスルフォン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンツイミダゾール、ポリオキサジアゾール、等が挙げられる。

熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、コプナ樹脂、等が挙げられる。

次に本発明を実施例により、さらに具体的に説明するが、本発明はこの実施例によって何ら限定されるものではない。
（実施例１）
組成物として、乾留ピッチ（呉羽化学工業製ＫＨ−１Ｐ）２０部、フラン樹脂（日立化成製ＶＦ３０３）５５部に、天然黒鉛微粉末（日本黒鉛工業製 平均粒径３μｍ）２５部を分散、混合し、押し出し成形で棒形状に成形し、その後窒素ガス雰囲気中１０００℃、さらにアルゴンガス雰囲気中１４００℃で焼成し、円柱状及びマイナスドライバー形状の複合炭素材料を得た。

図１に示す如く、密閉された耐熱性ガラス製のチャンバ１０内で、電極１２として円柱状の複合炭素からなる電極材料、電極１４としてマイナスドライバー形状の円柱状の複合炭素材料からなる電極を置く。シリコン基板１６を電極の方向と交差する方向に設置する。

チャンバ１０内を真空にした後、水素ガスを１００Torr導入し、交流５０Hz、電流５０Ａで１０秒間通電・スパークさせると、電極の温度が２３００〜２５００℃となり、基板温度は３００〜４００℃であり、シリコン基板１６上に粒径５μｍの粒状物からなる堆積物を得た。

堆積物をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した結果、図２に示す粒状の物質を観察し、ラマン分光により図３に示すようなダイヤモンドに特有のスペクトルが得られ、ダイヤモンドであると同定された。
（実施例２）
組成物として、塩素化塩化ビニル樹脂（日本カーバイト製Ｔ−７４１）５０部、天然黒鉛微粉末（日本黒鉛製 平均粒度５μｍ）５０部に対し、可塑材としてジアリルフタレートモノマー２０部を添加して、分散、混合し、押し出し成形にて板状及び円錐台状に成形し、その後窒素ガス雰囲気中１０００℃、さらに真空中１５００℃で焼成し、板状及び円錐台状の炭素系複合材料を得た。

電極に該板状及び円錐台状の炭素系複合材料を用い、あとは実施例１と同様にしてシリコン基板上に堆積物を得た。

堆積物をＳＥＭで観察した結果、図４に示す粒状の物質を観察し、ラマン分光により図５に示すようなダイヤモンドに特有のスペクトルが得られ、ダイヤモンドであると同定された。
比較例
電極に一般的な炭素材料の丸棒状加工品を用い、あとは実施例１と同様にしてシリコン基板上に堆積物を得たが、ラマン分光により図６に示すようなグラファイトに特有のスペクトルが得られ、グラファイトであると同定された。

本発明のダイヤモンド合成装置の概略を示す図である。 実施例１において得られたダイヤモンドのＳＥＭによる写真である。 ダイヤモンドのラマンスペクトルである。 実施例２において得られたダイヤモンドのＳＥＭによる写真である。 ダイヤモンドのラマンスペクトルである。 グラファイトのラマンスペクトルである。

Claims (4)

1. 水素雰囲気内に、１対の電極であって、その少なくとも一方に複合炭素材料を用いたものを互いに近接して配置し、両電極間でスパークさせて、炭素を昇華し堆積させてなり、
   前記複合炭素材料は炭素含有樹脂に黒鉛粉末を混合し混合物を炭素化して得られ、アモルファス炭素および該アモルファス炭素中に均一に分散した黒鉛粉末を含むダイヤモンドの合成方法。
2. １対の電極であって、その少なくとも一方に複合炭素材料が用いられ互いに近接して配置されたものと、両電極間でスパークさせるための電流を発生する電源とを具備し、
   前記複合炭素材料は炭素含有樹脂に黒鉛粉末を混合し混合物を炭素化して得られ、アモルファス炭素および該アモルファス炭素中に均一に分散した黒鉛粉末を含むダイヤモンドの合成装置。
3. 炭素含有樹脂に黒鉛粉末を混合し混合物を炭素化して得られ、アモルファス炭素および該アモルファス炭素中に均一に分散した黒鉛粉末を含むダイヤモンド合成用電極。
4. マイナスドライバーの形状である請求項３記載のダイヤモンド合成用電極。