JPH04284841A - IIa 型ダイヤモンドの合成方法 - Google Patents
IIa 型ダイヤモンドの合成方法Info
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- JPH04284841A JPH04284841A JP3075622A JP7562291A JPH04284841A JP H04284841 A JPH04284841 A JP H04284841A JP 3075622 A JP3075622 A JP 3075622A JP 7562291 A JP7562291 A JP 7562291A JP H04284841 A JPH04284841 A JP H04284841A
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
- B01J3/06—Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
- B01J3/062—Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies characterised by the composition of the materials to be processed
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2203/00—Processes utilising sub- or super atmospheric pressure
- B01J2203/06—High pressure synthesis
- B01J2203/065—Composition of the material produced
- B01J2203/0655—Diamond
-
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- B01J2203/0675—Structural or physico-chemical features of the materials processed
- B01J2203/068—Crystal growth
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は静的高圧、高温下での
ダイヤモンド合成、特に窒素を殆ど含まない、高純度で
無色透明なIIa 型ダイヤモンドの合成方法に関する
ものである。
ダイヤモンド合成、特に窒素を殆ど含まない、高純度で
無色透明なIIa 型ダイヤモンドの合成方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】静的高圧下でのカラットサイズの大型ダ
イヤモンドの合成は、アメリカのゼネラルエレクトリッ
ク社が最初に開発し、その内容はUSP4034066
号明細書に開示されている。
イヤモンドの合成は、アメリカのゼネラルエレクトリッ
ク社が最初に開発し、その内容はUSP4034066
号明細書に開示されている。
【0003】さらに、無色透明で窒素を殆ど含まないダ
イヤモンドの合成方法は同特許に記載されているように
、Fe溶媒にAlを3〜5重量%添加したものや、無機
材質研究所の研究報告No.39(1984) 第18
頁に記載されているように、Fe、Niおよび合金溶媒
にZrやTiなどの窒素と親和力の強い金属を添加する
方法がある。
イヤモンドの合成方法は同特許に記載されているように
、Fe溶媒にAlを3〜5重量%添加したものや、無機
材質研究所の研究報告No.39(1984) 第18
頁に記載されているように、Fe、Niおよび合金溶媒
にZrやTiなどの窒素と親和力の強い金属を添加する
方法がある。
【0004】しかしながら、上述のようにAlを3〜5
重量%添加すると、溶媒中の炭素の溶解度が下がること
、さらに合成した単結晶と溶媒の濡れ性がよくなること
から溶媒金属そのものが結晶中に巻き込まれ易くなると
いう問題があった。
重量%添加すると、溶媒中の炭素の溶解度が下がること
、さらに合成した単結晶と溶媒の濡れ性がよくなること
から溶媒金属そのものが結晶中に巻き込まれ易くなると
いう問題があった。
【0005】また、Ti、Zrなどを添加すると、溶媒
金属との間に炭化物が生成し、それらが結晶中に包含さ
れやすくなるという問題があった。
金属との間に炭化物が生成し、それらが結晶中に包含さ
れやすくなるという問題があった。
【0006】無色の結晶を含有物なしで育成しようとす
ると、黄色の結晶(Ib型)の場合の6割以下の成長速
度に抑えなければならないことがH.M.Strong
らによって既に発表されている(H.M.Strong
and P.H.Cherenko; J.Chem
. Phys. 75 P 1838(1971)。
ると、黄色の結晶(Ib型)の場合の6割以下の成長速
度に抑えなければならないことがH.M.Strong
らによって既に発表されている(H.M.Strong
and P.H.Cherenko; J.Chem
. Phys. 75 P 1838(1971)。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は上記した従来
の問題点に鑑み、静的高圧下でのIIa 型ダイヤモン
ド合成において、成長速度を下げることなく、即ち従来
技術の約2倍の成長速度で含有物が殆ど混入していない
ダイヤモンド結晶の合成方法を提供することを目的とす
るものである。
の問題点に鑑み、静的高圧下でのIIa 型ダイヤモン
ド合成において、成長速度を下げることなく、即ち従来
技術の約2倍の成長速度で含有物が殆ど混入していない
ダイヤモンド結晶の合成方法を提供することを目的とす
るものである。
【0008】即ち、この発明はアルミニウムなどの窒素
ゲッターとなる物質を合成室内の試料に添加し、静的高
圧、高温下でダイヤモンドを結晶成長させるダイヤモン
ドの合成方法において、窒素ゲッターの活量を増加させ
る物質を必要量添加することを特徴とするIIa 型ダ
イヤモンドの合成方法である。
ゲッターとなる物質を合成室内の試料に添加し、静的高
圧、高温下でダイヤモンドを結晶成長させるダイヤモン
ドの合成方法において、窒素ゲッターの活量を増加させ
る物質を必要量添加することを特徴とするIIa 型ダ
イヤモンドの合成方法である。
【0009】
【作用】この発明を以下詳細に説明すると、この発明は
上記目的を達成するために、溶媒中へのAlの添加量を
溶媒金属そのものが結晶中に巻き込まれ易くなるなどの
問題が生じない程度の少量に抑え、その減少分の窒素除
去の効果を補い、さらに減少分を上回る効果を少量添加
のAlに与えるために、Alの活量が増加するような物
質を必要量添加することを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、溶媒中へのAlの添加量を
溶媒金属そのものが結晶中に巻き込まれ易くなるなどの
問題が生じない程度の少量に抑え、その減少分の窒素除
去の効果を補い、さらに減少分を上回る効果を少量添加
のAlに与えるために、Alの活量が増加するような物
質を必要量添加することを特徴とするものである。
【0010】図1は溶媒金属のみの場合と溶媒金属に活
量増加物質を添加した場合の溶媒中のAlの活量の増加
を示す概念図である。
量増加物質を添加した場合の溶媒中のAlの活量の増加
を示す概念図である。
【0011】Alの活量を増加させる物質としては、P
b、In,Bi, Cdなどが挙げられ、その必要添加
量は溶媒の種類、Alの添加量などで異なる。
b、In,Bi, Cdなどが挙げられ、その必要添加
量は溶媒の種類、Alの添加量などで異なる。
【0012】図2は溶媒金属中へのAlの添加量と合成
したダイヤモンド結晶中の窒素量との関係を示す線図で
あって、ダイヤモンド結晶中の窒素量をESRの波形か
ら評価したものである。
したダイヤモンド結晶中の窒素量との関係を示す線図で
あって、ダイヤモンド結晶中の窒素量をESRの波形か
ら評価したものである。
【0013】図2からわかるように、Alの添加量を増
加するほどダイヤモンド結晶中の窒素量は減少している
ことがわかる。2重量%のAlを添加して合成したダイ
ヤモンド結晶は薄い黄色を呈し、4重量%までAlを添
加すると殆ど無色に近い。
加するほどダイヤモンド結晶中の窒素量は減少している
ことがわかる。2重量%のAlを添加して合成したダイ
ヤモンド結晶は薄い黄色を呈し、4重量%までAlを添
加すると殆ど無色に近い。
【0014】次に、図3は溶媒中へのAlの添加量とダ
イヤモンド結晶中への溶媒金属の巻き込みの量(溶媒金
属の含量率)との関係について示す線図であり、ダイヤ
モンド結晶中の溶媒金属の含有量は磁気天秤を用いて評
価したものである。
イヤモンド結晶中への溶媒金属の巻き込みの量(溶媒金
属の含量率)との関係について示す線図であり、ダイヤ
モンド結晶中の溶媒金属の含有量は磁気天秤を用いて評
価したものである。
【0015】図2からAlの添加量が増加するほど、結
晶中の含有物の量も増加してしまうことがわかる。溶媒
中へAlを添加しないで結晶(Ib型) を成長させた
場合、結晶中の金属含有率は0.25〜0.50重量%
程度で、Alを添加した場合よりも少ない。
晶中の含有物の量も増加してしまうことがわかる。溶媒
中へAlを添加しないで結晶(Ib型) を成長させた
場合、結晶中の金属含有率は0.25〜0.50重量%
程度で、Alを添加した場合よりも少ない。
【0016】窒素量の少ないIIa 型の結晶(原石)
を光学材料、超精密バイト、サージカルナイフなどに応
用する場合、金属の含有物の混入は許されず、原石の含
有物の混入箇所およびその周辺は削除しなければならな
い。 生産性から考えて金属含有率は0.5 重量%以下に押
えることが好ましく、そのためにはAlの溶媒金属中へ
の添加は1重量%程度以下にすることが必要である。
を光学材料、超精密バイト、サージカルナイフなどに応
用する場合、金属の含有物の混入は許されず、原石の含
有物の混入箇所およびその周辺は削除しなければならな
い。 生産性から考えて金属含有率は0.5 重量%以下に押
えることが好ましく、そのためにはAlの溶媒金属中へ
の添加は1重量%程度以下にすることが必要である。
【0017】そこで、本発明者らはAlの添加量を1重
量%程度に抑え、少量のAl量で効果的に窒素を結晶中
から除去する方法を見出すために、まずAlによる窒素
除去の機構について考察した。
量%程度に抑え、少量のAl量で効果的に窒素を結晶中
から除去する方法を見出すために、まずAlによる窒素
除去の機構について考察した。
【0018】その結果、添加Al量と結晶の窒素量との
間に平衡関係が成立っており、NはAlN、即ち、Al
+N→AlNの反応によって除去されている可能性が高
いことが判った。窒素が上式のような反応により除去さ
れているとすれば、Alの絶対量をかえずに反応を右に
進める方法としてAlの活量を上げることが考えられる
。即ち、溶媒中にAlの活量が大きくなるような物質を
添加し、絶対量をかえずに活量のみを上げるという試み
である。
間に平衡関係が成立っており、NはAlN、即ち、Al
+N→AlNの反応によって除去されている可能性が高
いことが判った。窒素が上式のような反応により除去さ
れているとすれば、Alの絶対量をかえずに反応を右に
進める方法としてAlの活量を上げることが考えられる
。即ち、溶媒中にAlの活量が大きくなるような物質を
添加し、絶対量をかえずに活量のみを上げるという試み
である。
【0019】例としてFe−40%Co−1%Alの組
成をもつ溶媒中におけるAlの濃度(重量%)に対する
Alの活量を図4に示す。図4からAlを4重量%(結
晶はほぼ無色となるが、含有物は多い)添加した場合の
活量は0.005 であることがわかる。
成をもつ溶媒中におけるAlの濃度(重量%)に対する
Alの活量を図4に示す。図4からAlを4重量%(結
晶はほぼ無色となるが、含有物は多い)添加した場合の
活量は0.005 であることがわかる。
【0020】Alを1重量%(含有物は少ないが、結晶
は薄黄色を呈する)添加した場合のAlの活量は約0.
001 であるので、これをAl4重量%と同じ値(0
.005) になるような物質を添加してやればよい。
は薄黄色を呈する)添加した場合のAlの活量は約0.
001 であるので、これをAl4重量%と同じ値(0
.005) になるような物質を添加してやればよい。
【0021】Alの活量があがる物質は数多くあるが、
その中でも効果が高いのはPb、In、Bi、Cdなど
である。例として「Selected Values
of the Thermodynamic Prop
erliesof Binary alloys; A
merican Society For Metal
s」のデータから計算した約5重量%のAlを各元素に
添加した場合のAlの活量を表1に示した。
その中でも効果が高いのはPb、In、Bi、Cdなど
である。例として「Selected Values
of the Thermodynamic Prop
erliesof Binary alloys; A
merican Society For Metal
s」のデータから計算した約5重量%のAlを各元素に
添加した場合のAlの活量を表1に示した。
【0022】
【表1】
【0023】これらの物質を必要量溶媒中に添加し、A
lの活量を上げてやれば、AlNが生成する反応が促進
され、結晶中への窒素の混入は減少し、1重量%のAl
添加でも結晶の色は無色となり、かつ金属含有率が0.
5重量%以下の高純度なダイヤモンド合成が可能となる
のである。なお、この発明の方法で合成したIIa 型
ダイヤモンドは装飾用途、赤外光学部品、紫外可視光学
部品およびダイヤモンド半導体基板などに使用されるも
のである。
lの活量を上げてやれば、AlNが生成する反応が促進
され、結晶中への窒素の混入は減少し、1重量%のAl
添加でも結晶の色は無色となり、かつ金属含有率が0.
5重量%以下の高純度なダイヤモンド合成が可能となる
のである。なお、この発明の方法で合成したIIa 型
ダイヤモンドは装飾用途、赤外光学部品、紫外可視光学
部品およびダイヤモンド半導体基板などに使用されるも
のである。
【0024】
【実施例】以下、実施例によりこの発明を詳細に説明す
る。
る。
【0025】実施例1
図5に示すような周囲を加熱ヒーター4で囲んだダイヤ
モンド合成室内に種結晶1、溶媒金属3、炭素源2の合
成用の標準的な試料構成にAlの活量増加物質を適宜配
置し、その効果の確認実験を行なった。
モンド合成室内に種結晶1、溶媒金属3、炭素源2の合
成用の標準的な試料構成にAlの活量増加物質を適宜配
置し、その効果の確認実験を行なった。
【0026】溶媒の組成はFeー40%Co−1%Al
(重量比)とし、活量増加物質としてPbを用いた。P
bは薄板(0.1mmt)の形状で炭素源2と溶媒金属
3との間に配置した。Pbの量は4重量%のAlを添加
した場合の活量の1.25倍となるように、溶媒に対し
0.5重量%とした。
(重量比)とし、活量増加物質としてPbを用いた。P
bは薄板(0.1mmt)の形状で炭素源2と溶媒金属
3との間に配置した。Pbの量は4重量%のAlを添加
した場合の活量の1.25倍となるように、溶媒に対し
0.5重量%とした。
【0027】但し、この値はAlの活量がAlに対する
溶媒の重量比に依存すると仮定して定めたものである。
溶媒の重量比に依存すると仮定して定めたものである。
【0028】図5に示すように、試料を配置した合成室
を超高圧、高温発生装置にセットし、5.8 GPa、
1350℃の合成条件で18時間保持した。合成後、得
られた単結晶の色、窒素濃度および金属含有率をそれぞ
れ観測測定した。
を超高圧、高温発生装置にセットし、5.8 GPa、
1350℃の合成条件で18時間保持した。合成後、得
られた単結晶の色、窒素濃度および金属含有率をそれぞ
れ観測測定した。
【0029】In、Bi、Cdでも同様の実験を行ない
、また比較例としてAlの活量増加物質が無添加のもの
、さらに活量増加物質が無添加でAl量が4重量%のも
のについてもテストを行なった。その結果は表2に示し
た。
、また比較例としてAlの活量増加物質が無添加のもの
、さらに活量増加物質が無添加でAl量が4重量%のも
のについてもテストを行なった。その結果は表2に示し
た。
【0030】
【表2】
【0031】表2からAlの活量が増加するような物質
を添加すれば、Alの添加量が1重量%でも単結晶の色
は無色透明であり、金属含有率は0.5 重量%以下で
含有物の少ないものであった。
を添加すれば、Alの添加量が1重量%でも単結晶の色
は無色透明であり、金属含有率は0.5 重量%以下で
含有物の少ないものであった。
【0032】それに対し、1重量%のAlを添加しても
活量増加物質を添加しなければ結晶の色は薄い黄色を呈
し、結晶中の窒素濃度も高い。また活量増加物質を添加
せずに結晶を無色透明にするには、Al量は4重量%程
度必要で、本実施例No. 1〜4と同じ成長速度で成
長させた場合、金属含有率は高く、良質な結晶を育成す
ることは困難であった。
活量増加物質を添加しなければ結晶の色は薄い黄色を呈
し、結晶中の窒素濃度も高い。また活量増加物質を添加
せずに結晶を無色透明にするには、Al量は4重量%程
度必要で、本実施例No. 1〜4と同じ成長速度で成
長させた場合、金属含有率は高く、良質な結晶を育成す
ることは困難であった。
【0033】実施例2
実施例1で示した合成条件の中で活量増加物質の量のみ
を変えた実験を行なった。その結果を表3に示した。
を変えた実験を行なった。その結果を表3に示した。
【0034】
【表3】
【0035】表3から活量増加物質が0.3 重量%以
下では結晶中の窒素除去の促進効果は殆どみられず、結
晶の色は薄黄色を呈していた。また、4.0 重量%以
上では結晶は無色になるが、結晶中に溶媒金属の巻き込
みが増加し、良質な結晶を育成することが困難であった
。
下では結晶中の窒素除去の促進効果は殆どみられず、結
晶の色は薄黄色を呈していた。また、4.0 重量%以
上では結晶は無色になるが、結晶中に溶媒金属の巻き込
みが増加し、良質な結晶を育成することが困難であった
。
【0036】
【発明の効果】この発明によれば、静的高圧下でのダイ
ヤモンド合成、特に窒素を殆ど含まない高純度で無色透
明なIIa 型ダイヤモンド合成において、窒素ゲッタ
ーであるAlの活量が増加するような物質を添加するこ
とにより、少ないAl量(含有物の混入量の増加などA
lの添加による悪影響がでない量)で効果的に窒素を除
去することができるのである。
ヤモンド合成、特に窒素を殆ど含まない高純度で無色透
明なIIa 型ダイヤモンド合成において、窒素ゲッタ
ーであるAlの活量が増加するような物質を添加するこ
とにより、少ないAl量(含有物の混入量の増加などA
lの添加による悪影響がでない量)で効果的に窒素を除
去することができるのである。
【0037】従って、この発明の方法によれば従来技術
の約2倍の速い成長速度でIIa 型ダイヤモンド合成
が可能となった。
の約2倍の速い成長速度でIIa 型ダイヤモンド合成
が可能となった。
【図1】溶媒金属に活量増加物質を添加した時のAl量
と活量の関係を示す線図。
と活量の関係を示す線図。
【図2】溶媒金属中への添加Al量とダイヤモンド結晶
中の含有窒素量の関係を示す説明図。
中の含有窒素量の関係を示す説明図。
【図3】溶媒金属中への添加Al量とダイヤモンド結晶
中に混入する金属含有量の関係を示す線図。
中に混入する金属含有量の関係を示す線図。
【図4】溶媒金属中におけるAlの濃度とAlの活量と
の関係を示す線図。
の関係を示す線図。
【図5】合成室内の試料の構成を示す説明図。
1 種結晶
2 炭素源
3 溶媒金属
4 加熱ヒーター
Claims (3)
- 【請求項1】 アルミニウムなどの窒素ゲッターとな
る物質を合成室内の試料に添加し、静的高圧、高温下で
ダイヤモンドを結晶成長させるダイヤモンドの合成方法
において、窒素ゲッターの活量を増加させる物質を必要
量添加することを特徴とするIIa 型ダイヤモンドの
合成方法。 - 【請求項2】 窒素ゲッターの活量増加物質がPb、
In、CdあるいはBiであることを特徴とする請求項
1記載のIIa 型ダイヤモンドの合成方法。 - 【請求項3】 窒素ゲッターの活量増加物質の添加量
が溶媒金属に対して0.3 〜4.0 重量%であるこ
とを特徴とする請求項1記載のIIa 型ダイヤモンド
の合成方法。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3075622A JPH04284841A (ja) | 1991-03-14 | 1991-03-14 | IIa 型ダイヤモンドの合成方法 |
US08/307,493 US6129900A (en) | 1991-02-15 | 1992-02-14 | Process for the synthesis of diamond |
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