JPH01228532A - ダイヤモンドの合成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超高圧発生装置を用いて、特に大型の板状ダイ
ヤモンドを安価に合成できるダイヤモンドの合成方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

超高圧・高温下でのダイヤモンド単結晶の合成方法とし
て従来公知のものは、大別して以下の２種に分けられる
。

その第１は温度差法と称される方法で、Ｆｅ。

Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｏｒ、　Ｍｎ、　Ｐｔ　等の遷移金属
単体又はこれらの合金を溶媒金属として用い、炭素源と
種子結晶とを互に接触しないように溶媒金属の両端に配
置し、この溶媒金属内に温度差を設は種子結晶の温度を
炭素源と溶媒金属の接触面の温度よシ相対的に低く保ち
、このものを高温・高圧下に静置することによシ、種子
結晶上にエピタキシャルにダイヤモンドを成長させる方
法である。

その第２は膜成長法と称される方法で、非ダイヤモンド
炭素源粉末と溶媒金属粉末および種子結晶ｆ、混合した
反応系もしくは非ダイヤモンド炭素源板と溶媒金属板と
を積層した反応系を、ダイヤモンドが熱力学的に安定な
温度・圧力条件下におくことにより、非ダイヤモンド炭
素源を溶媒薄膜を介して短時間のうちにダイヤモンドに
変換させる方法である。

〔発明が解決しようとする課題］ 前記従来法のうち、温度差法は大きな粒径の結晶が合成
できることはよく知られているが、この場合の問題点は
次のとおυである。

１）合成には極めて長時間を要するため、装置運転コス
トが非常に高くつく。

２）試料室内で温度差をつける必要があるため、合成に
おいて使用可能な試料室容積が小さい。

よって、合成可能な結晶個数は少なく１個当シのコスト
が高い。

これに対し、膜成長法では上記２）の問題点は解決され
るものの、自然核発生の完全な防止ができないため、た
とえ合成時間を長くしてみたところで大粒の結晶を合成
することは困難であった。また、合成された結晶はイン
クルージヨンが多く品質に問題があった。

本発明の目的は前記の従来法における問題点を解決し、
大きな粒径のダイヤモンドを低コストで合成できる方法
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは前記した従来法のＩ′！ＪｊＭ点を総合的
に検討の結果、粒径１１１１１〜２ｆｉのダイヤモンド
の合成には膜成長法がより有利であるという結論を得た
ので、これの改良・研究に励んだ。

特に、膜生長法における自然核発生のメカニズムにつき
研究を深めた結果、従来法では種子結晶からのダイヤモ
ンドの成長に不必要な溶媒金属が存在しておシ、自然核
発生はその部分で起）易いという考察に到った。また、
インクルージヨンについては、溶媒金属に配置された種
子結晶と溶媒金属の界面で入シ易いことを見出し、種子
結晶の一面だけを溶媒金属と接するようにしてダイヤモ
ンドを成長させればインクルージヨンを減少できるとい
う考えに基き、本発明に達した。

すなわち、本発明はダイヤモンド種子結晶と炭素源と溶
媒金属を併存させた反応系で膜成長法によシダイヤモン
ドを合成する際に、該反応系において１個以上の溶媒金
属の塊は互に分離されており、該溶媒金属の塊に、ダイ
ヤモンド種子結晶の一つの面とが接触するように配置す
ることを特徴とするダイヤモンドの合成方法に関するも
のである。

本発明の特に好ましい実施態様としては、溶媒金属塊を
炭素源中に分散して配置することを特徴とする上記方法
、ダイヤモンド種子結晶が前記溶媒金属及び炭素源と反
応しない分離物質中に埋込まれていることを特徴とする
上記方法、１個以上の溶媒金属塊が互に分離されており
、該溶媒金属塊の１個とダイヤモンド種子結晶の一つの
面が接触するように配置された反応系の複数個を、分離
物質を介して積層することを特徴とする上記方法が挙げ
られる。

本発明は膜成長法、すなわちダイヤモンド種子結晶と炭
素源と溶媒金属とを併存させ、ダイヤモンドを熱力学的
に安定な条件で、かつ溶媒金属の融点以下の温度下に保
持することにより、一定温度・圧力下での溶媒に対する
ダイヤモンドと例えばグラファイト等炭素源との溶解度
（化学ポテンシャル）の差を利用して、該グラファイト
等炭素源からダイヤモンドへと変換させて、種子結晶よ
りダイヤモンドを成長させる方法において、種子結晶に
対する溶媒金属の量はできるだけ必要最小限の量にとど
め、またダイヤモンド種子結晶は溶媒金属とは一つの面
だけで接触するように配置することで自然核発生やイン
クリュージョンを抑制して、大型のダイヤモンドを合成
できるものである。

以下、図面を参照して具体的に本発明を説明する。第１
図は本発明の一具体列の反応系を示す断面図、第２図は
第１図のａ　−ａ’方向断面図であって、１個以上のダ
イヤモンド種子結晶１は板状の分離質４の表面に埋めこ
まれて、その−面だけが該表面側に出るようにし７てお
く。この種子結晶１の各１個に接するように同数の溶媒
金属の塊２を炭素源３内に互に炭素源３で隔離されるよ
うに配置することで反応系を構成し、炭素源５及び溶媒
金属２の上部にも分離物質５を載置する。第３図に示す
ものは第１図の反応系を複数個積層したもので、このよ
うに積層してこれをＮａＣ６製試料カプセル等に収納し
、高温、高圧装置に供して反応させる。

本発明におけるダイヤモンド種子結晶としては、ナ］え
ば市販のダイヤモンド砥粒を用いることができ、サイズ
は通常２００μｍ〜８４０μｍ程度とする。

また本発明における溶媒金属としては例えばＦ’ｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ　　等の周期律表第８族元素、Ｏｒ。

Ｍ等の単体およびこれらの合金を用いることができる。

該溶媒金属は種子結晶−個についてそのダイヤモンド成
長に必要最小限の盪を用いることが好ましく、この量は
例えば次のように求めることができる。すなわち溶媒金
属の直径は、理想的には目的とする成長後結晶から決め
られ、溶媒金属の直径ｄ８．目的とする成長後結晶の直
径ｄ、とすると、概ねａｆ’Ｔｔ　＞　ａ、　≧２（Ｔ
、　　の範囲で決める。そして溶媒金属の厚さは成長後
結晶の厚さと等しくする。

種子結晶は溶媒金属の中心部に配置されるように分離物
質中に埋込でおき、炭素源とは溶媒金属で隔てられるよ
うにするが、炭素源としては、例えば人造高純度黒鉛板
もしくは高純度黒鉛粉末を板状に型押したものが用いら
れる。

第１〜３図のように設けられる分離物質としては、列え
ばＮａＣ６，ＭｇＯ、ム４０．　ｌ　′ｊｘ母等を用い
ることができる。この分離物質は通常上記Ｎａ０６．　
　ＭｇＯ、Ａ／４０ｓ等の粉末を型押して円板状で用い
るため厚みは約１−程度とする。これは１ｆｌ以下で実
施することは殆んど不可能だからである。

以上のように反応系を形成した後、通常の膜成長法と同
様ＫＮａＯｔカプセルに入れ、高圧・高温下に供してダ
イヤモンド結晶を・成長させる。

この時の条件はｕｌえばパイロフィライト圧力媒体音用
いてベルト式超高圧発生装置で５５　Ｋｂ、１４００℃
といった条件に保持する等でおる。

保持時間は目的とするダイヤモンド結晶の大きさによっ
て決まる。

〔作用］ 本発明ｄ１つの反応系が炭素源および必要最小Ｉ限の溶
媒金属と種子結晶からなるように、しかも他の反応系と
は分離物質によ）分離されて尾に干渉しないように構成
されている。

このように構成すると、第１に不必要な溶媒を除去しで
あるので自然核発生の起る空間がなくなシ、第２に炭素
原子の流れが原料部から種子結晶への一定方向となり種
子結晶以外の部分で局部的に炭素濃度が高くなるような
ことがない、という２つの点から、自然核の発生が防止
できる。

また、従来の方法のように溶媒金属中に種子結晶を配し
た場合には結晶との界面部分がインクルージヨンの原因
になるが、本発明では種子結晶の一面だけを利用するの
でインクルージヨンが減少できる。

さらに、本発明の方法では試料室内で温度分布をつける
必要がないため、試料室内容積を有効に利用できて、第
３図のように多数個の結晶を同時に合成できる。

〔実施列〕

実施列１ 第３図に示すように反応系を積層した本発明の構成によ
り、ダイヤモンドを合成した。＠科の炭素源として直径
２０ｍ５高さ１瓢の高純度人造黒鉛板に直径１．５　ｍ
の貫通孔全１３個あけたものを用意して、これに溶媒金
属としてはＦｅ　−５０Ｎｉからなり、直径１．５＋ｍ
、高さ１■の円板状のものを第２図のようにはめこんだ
。

また種子結晶には市販のダイヤモンド砥粒（す３ｏ／ａ
ｏ）ｔ−１分離物質としては直径２０腫、高さ１■のＡ
ＬｘＯｓ粉末型押体を用いて、分離物質にダイヤモンド
粒子結晶を埋込み、該種子結晶と溶媒金属が一面で接す
るように組合せて反応系を作製した。この反応系を５段
積層し、該積層体をＮａＣ！ｔカプセル中に挿入し、こ
のものをベルト式超高圧装置を用いて圧力５５に１）、
温度１５５０℃の条件で８時間反応させた。

この結果、６５個の種子結晶のすべてからダイヤモンド
の成長が起シ、全量で約４００１１９のインクルージヨ
ンの少ない良質のダイヤモンド単結晶が得られた。この
うちの４１個がす１４／１６のサイズ（１，２〜ｔ５■
の粒径）に集中していた。

実施列２ 反応時間を１２時間とした以外は、すべて実施例１と同
様にして本発明のダイヤモンド合成を行なったところ、
全量で約５５０ｑのインクルージヨンの少ない良質のダ
イヤモンド単結晶が得られた。６５個のうち２９個がす
１２／１４（ｔ５〜１．７瓢の粒径）に集中していた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のダイヤモンド合成方法は
、互に分離された複数の溶媒金属の塊の中で、１個ずつ
ダイヤモンドを成長させ、しかもダイヤモンド種子結晶
の一面のみが必要とするだけの量の該溶媒と接触するよ
うにして成長させるので、１〜２■という゛大型でイン
クリュージョンの少ない高品質のダイヤモンド単結晶を
一回の合成で大量に得られるという非常に優れたしかも
低コストな実用性の大きな方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一具体例における反応系の構成を説明
する断面図、第２図は第１図の列のａ　　ａ１方方向面
図、第３図は本発明の他の具体例で第１図の反応系を積
層して行なう場合を説明する断面図である。 第１図 第２図 第３図 手続補正書 昭和６３年１２月ＬＩ日 特許庁長官　　吉　１）文　毅　殿 ■、事件の表示 昭和６３年特許願第５２６０２号 ２、発明の名称 ダイヤモンドの合成方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　　大阪市東区北兵５丁目１５番地名称　　（２１
３）住友電気工業株式会社代表者　　用土　首部 ４、代理人 住所　　東京都港区虎ノ門−丁目１６番２号虎ノ門千代
田ビル電話（５０４）１８９４番７、補正の対象 （１）明細書の発明の詳細な説明の欄 ８、補正の内容 （１）明細書第４頁下から第４行の「生長」を「成長」
と訂正する。 （２）同第６頁第９行の「以下」を「以上」と訂正し、
下から第２行の「インク」を「インク」と訂正する。 （３）同第７頁第５行の「分離質」を「分離物質」と訂
正する。 （４）同８頁第１行のｒＭＪをｒＭｎＪとし、下から第
９行の「込」を「込ん」と訂正する。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤモンド種子結晶と炭素源と溶媒金属を併存
   させた反応系で膜成長法によりダイヤモンドを合成する
   際に、該反応系において１個以上の溶媒金属の塊は互に
   分離されており、該溶媒金属の塊に、ダイヤモンド種子
   結晶の一つの面とが接触するように配置することを特徴
   とするダイヤモンドの合成方法。
2. （２）溶媒金属塊を炭素源中に分散して配置することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のダイヤモンドの
   合成方法。
3. （３）ダイヤモンド種子結晶が前記溶媒金属及び炭素源
   と反応しない分離物質中に埋込まれていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項に記載のダイヤモ
   ンドの合成方法。
4. （４）１個以上の溶媒金属塊が互に分離されており、該
   溶媒金属塊の１個とダイヤモンド種子結晶の一つの面が
   接触するように配置された反応系の複数個を、分離物質
   を介して積層することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第３項のいずれかに記載のダイヤモンドの合成
   方法。