JPH05305227A - Method and apparatus for producing diamond - Google Patents
Method and apparatus for producing diamondInfo
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- JPH05305227A JPH05305227A JP4269605A JP26960592A JPH05305227A JP H05305227 A JPH05305227 A JP H05305227A JP 4269605 A JP4269605 A JP 4269605A JP 26960592 A JP26960592 A JP 26960592A JP H05305227 A JPH05305227 A JP H05305227A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、アンビル型プレスを使
用したダイヤモンドの高圧合成法に関するものであり、
原料粉体としてC60及び/またはカーボンナノチューブ
を主成分とする粉体を用い、該原料粉体の加熱手段とし
てレーザー光を用いるダイヤモンドの作製方法およびそ
の作製装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high pressure synthesis method of diamond using an anvil type press,
The present invention relates to a diamond manufacturing method and a diamond manufacturing apparatus using a powder mainly containing C 60 and / or carbon nanotubes as a raw material powder and using a laser beam as a heating means of the raw material powder.
【0002】[0002]
【従来の技術】現在、ダイヤモンドの合成にはCVDに
代表される気相合成法、およびグラファイトやダイヤモ
ンド等の粉体を高温・高圧下で結晶ダイヤモンドとする
高圧合成法の二通りの方法が用いられている。高圧合成
法は更に、次の3つに分類される。2. Description of the Related Art Currently, two methods are used for synthesizing diamond: a vapor phase synthesis method represented by CVD and a high pressure synthesis method in which powders of graphite, diamond, etc. are made into crystalline diamond under high temperature and high pressure. Has been. The high-pressure synthesis method is further classified into the following three types.
【0003】1.衝撃法 火薬の爆発力や高速衝突等の衝撃により瞬間的に原料粉
体を高圧化し、グラファイト構造からダイヤモンド構造
へ直接変換を行い、粒子状ダイヤモンドを合成する。後
述の2種類の様なプレス装置を用いないが、それらに比
べてダイヤモンド製品の大きさ等の調整が困難である。1. Impact method The raw material powder is instantly pressurized to a high pressure by the explosive force of explosives or impact such as high-speed collision, and the graphite structure is directly converted to the diamond structure to synthesize the particulate diamond. Although two kinds of pressing devices described later are not used, it is more difficult to adjust the size of the diamond product or the like as compared with them.
【0004】2.直接変換法 高圧容器の中に原料粉体を封入し、13〜16GPaの
静的高圧と3000〜4000℃の高温環境を加えてダ
イヤモンド安定領域とすることにより、グラファイトの
分解と、ダイヤモンド構造への組み換えを行い、ダイヤ
モンドへの直接相変換を行うものである。2. Direct conversion method By encapsulating the raw material powder in a high-pressure container and adding a static high pressure of 13 to 16 GPa and a high temperature environment of 3000 to 4000 ° C to form a diamond stable region, decomposition of graphite and formation of a diamond structure are performed. It performs recombination and direct phase conversion to diamond.
【0005】3.融剤法 直接変換法と同様に、静的圧力と高温を用いる方法であ
るが、こちらはNi、Fe等の融剤を用いることによ
り、直接変換法よりも低い圧力・温度でダイヤモンド結
晶の形成を行う。この方法は前記の組み換えを、融剤の
使用により容易にすることをその主旨としている。この
方法は、高圧容器内部に、融剤を原料粉体である高純度
グラファイトで包み込むように容器に詰め、4〜6GP
aの圧力下で約1500〜2000℃に加熱する。融剤
はグラファイトを溶解しつつ溶液となり、グラファイト
飽和溶液となる。この時、高圧容器内部は圧力的にダイ
ヤモンドの安定相となっているため、グラファイトの融
剤に対する溶解度はダイヤモンドのそれを大きく上回
る。その結果容器内部ではダイヤモンドの晶出・グラフ
ァイトの融剤への溶解という現象がおこる。3. Fluxing method Like the direct conversion method, this method uses static pressure and high temperature. This method uses a flux such as Ni or Fe to form diamond crystals at a lower pressure and temperature than the direct conversion method. I do. The purpose of this method is to facilitate the above recombination by using a flux. In this method, a flux is packed in a high-pressure container so as to wrap it with high-purity graphite which is a raw material powder, and 4 to 6 GP is packed.
Heat to about 1500-2000 ° C. under pressure of a. The flux becomes a solution while dissolving graphite, and becomes a saturated solution of graphite. At this time, since the interior of the high-pressure container is a stable phase of diamond in terms of pressure, the solubility of graphite in the flux is much higher than that of diamond. As a result, the phenomena of crystallization of diamond and dissolution of graphite in the flux occur inside the container.
【0006】これら高圧合成法の内、特にプレス装置を
用いた2.と3.の方法は、ベルト装置・アンピル型装
置等の登場によって、気相合成法では事実上不可能な、
数mmサイズの単結晶ダイヤモンド作製が可能となった為
に広く用いられている。Of these high-pressure synthesis methods, particularly, a press machine was used.2. And 3. With the advent of belt devices, ampil-type devices, etc., this method is virtually impossible with the gas phase synthesis method,
It is widely used because it has made it possible to produce single-crystal diamond with a size of several millimeters.
【0007】上記高圧合成法においては、圧力を加える
手段として超硬合金で作られたアンビルと呼ばれる部材
を用いるのであるが、このアンビルをダイヤモンドで構
成し、これまでにない高圧条件を達成しようという試み
も行われている。In the above-mentioned high-pressure synthesis method, a member called anvil made of cemented carbide is used as a means for applying pressure, and this anvil is made of diamond to achieve a high-pressure condition that has never existed before. Trials are being made.
【0008】〔従来技術の問題点〕しかしこれら高圧合
成法は、多くの問題を有している。共通しているのは、
数mに及ぶ大規模な加圧装置を必要とするゆえの生産性
の悪さである。高圧容器等の交換により、量産性を向上
させようという試みもなされているが、容器の交換後に
加圧−加熱−冷却−減圧という一連の工程の一部を省略
または同時進行することはできない。[Problems of Prior Art] However, these high-pressure synthesis methods have many problems. What they have in common is
This is a poor productivity due to the need for a large-scale pressurizing device of several meters. Attempts have been made to improve mass productivity by replacing the high-pressure container and the like, but it is not possible to omit or simultaneously carry out a part of the series of steps of pressurization-heating-cooling-depressurization after replacing the container.
【0009】高圧合成法では前述の様に、加圧された試
料に対して加熱を行い、反応終了後冷却して減圧、試料
取り出しという連続工程が絶対に必要ということが明ら
かになっている。また、加熱を加圧とは別の手段によっ
て同時に行うことが必要であるが、この加熱を行う方法
に問題があった。従来の高圧合成法における試料の加熱
の方法としては、試料に直接通電することにより加熱を
行う方法が一般的である。しかし、反応進行に伴って試
料内部の電気抵抗が増加する為、反応中の試料温度を一
定にすることは非常に困難である。従って、比較的長時
間に渡って温度を安定させる必要性がある良質な単結晶
性ダイヤモンドの合成においては、この試料の通電によ
る加熱方法は不適当であった。In the high-pressure synthesis method, as described above, it has become clear that a continuous process of heating a pressurized sample, cooling after completion of the reaction, depressurizing and taking out the sample is absolutely necessary. Further, it is necessary to simultaneously perform heating by means other than pressurization, but there is a problem with this heating method. As a method of heating a sample in the conventional high-pressure synthesis method, a method of heating by directly energizing the sample is generally used. However, since the electrical resistance inside the sample increases as the reaction progresses, it is very difficult to keep the sample temperature constant during the reaction. Therefore, in the synthesis of high-quality single crystal diamond, which requires the temperature to be stabilized for a relatively long time, the heating method by energizing this sample was unsuitable.
【0010】また融剤法・通電加熱による場合の問題と
して、両電極面間の中央に融剤が、電極近傍に未反応グ
ラファイトがそれぞれ析出し、ダイヤモンド化した部分
を挟み込むように存在し、試料内部に不均一性が生ず
る。この現象は電流が直流でも交流でも同様である。こ
のことは避けられない現象とはいえ、この現象が製品歩
留りの低下に結び付いていることは否定出来ない。Further, as a problem in the case of the flux method / electric heating, the flux exists in the center between both electrode surfaces and the unreacted graphite is deposited in the vicinity of the electrodes so as to sandwich the diamondified portion, Internal non-uniformity occurs. This phenomenon is the same whether the current is direct current or alternating current. Although this is an unavoidable phenomenon, it cannot be denied that this phenomenon is linked to a decrease in product yield.
【0011】それらの問題を解決するために、試料の周
囲にヒーターを設けるという技術があるが、それを行っ
た場合、直接通電によって加熱反応させる場合よりも、
合成可能な試料の体積を極端に小さくしなければなら
ず、歩留りの向上にはさほど大きく貢献出来ないという
別な問題があった。In order to solve these problems, there is a technique in which a heater is provided around the sample.
There was another problem that the volume of the synthesizable sample had to be made extremely small and could not contribute so much to the improvement of the yield.
【0012】レーザー光によって、加熱を行おうとする
提案も、すでに成されているが局部的な加熱しかできな
いレーザー光を有効に用いる方法は知られていない。Proposals for heating with laser light have been made, but a method for effectively using laser light that can only locally heat is not known.
【0013】しかし高圧プレスを用いた方法は、単結晶
あるいはμm〜mmオーダーの粒径を持ったダイヤモンド
材料を合成できる唯一の方法であり、その特徴を生かす
ための改善作業は重要である。However, the method using a high-pressure press is the only method capable of synthesizing a single crystal or a diamond material having a grain size on the order of μm to mm, and improvement work to make the most of its characteristics is important.
【0014】[0014]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
高圧プレスを用いる方法で得ることのできる単結晶ダイ
ヤモンドを高圧プレスを用いる方法より小規模の装置
で、高い生産性を有して作製する方法並びにその作製装
置を提供することを課題とする。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention produces a single crystal diamond which can be obtained by the above-mentioned conventional method using a high-pressure press in a smaller scale and with higher productivity than the method using a high-pressure press. It is an object of the present invention to provide a method and a manufacturing apparatus therefor.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】本発明は、出発材料粉体
に圧力勾配を有して圧力を加え、圧力最大の部分にダイ
ヤモンドを構成材料とした窓を通してレーザー光を照射
するダイヤモンド合成方法において、出発材料粉体をC
60及び/またはカーボンナノチューブを主成分とする炭
素粉体とすることにより、ダイヤモンド形成を容易にす
ることを主な構成とするものである。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention provides a diamond synthesizing method in which pressure is applied to a starting material powder with a pressure gradient, and a laser beam is applied to a portion of the maximum pressure through a window made of diamond as a constituent material. , Starting material powder C
The main constitution is to facilitate the formation of diamond by using a carbon powder containing 60 and / or carbon nanotubes as a main component.
【0016】本発明は、出発材料であるC60及び/また
はカーボンナノチューブを主成分とする粉体材料に加え
られる勾配を有した圧力の最大部分にレーザ光を照射す
ることによって、ダイヤモンドを合成しようとするもの
であるが、この際レーザー光を導入するための窓の材料
としてダイヤモンド材料を用いることによって、この窓
材を構成するダイヤモンド材料を種結晶として前記粉体
材料からダイヤモンドを合成することを特徴とする。The present invention is directed to synthesizing diamond by irradiating laser light to the maximum portion of the pressure having a gradient applied to the starting material C 60 and / or carbon nanotube-based powder material. However, at this time, by using a diamond material as the material of the window for introducing the laser beam, it is possible to synthesize diamond from the powder material by using the diamond material forming the window material as a seed crystal. Characterize.
【0017】さらに、ダイヤモンドの出発材料であるC
60及び/またはカーボンナノチューブを主成分とする粉
体材料に対して圧力勾配を有せしめて圧力を加えるため
に、テーパー形状を有した圧力発生用圧子を用いること
を特徴とする。テーパー形状を有した圧力発生用圧子の
形状としては、円錐台や角錐台を挙げることができる。
円錐台というのは、円錐を底面に平行な平面で切り取っ
た形状をいうものであり、角錐台というのは角錐を底面
に平行な平面で切り取った形状をいうものである。尚、
角錐台は角の数が多ければ円錐台と類似の形状となる。Further, C which is a starting material of diamond
It is characterized in that a pressure generating indenter having a taper shape is used to apply a pressure to a powder material containing 60 and / or carbon nanotubes as a main component with a pressure gradient. Examples of the shape of the pressure generating indenter having a tapered shape include a truncated cone and a truncated pyramid.
The truncated cone means a shape obtained by cutting a cone in a plane parallel to the bottom surface, and the truncated pyramid means a shape obtained by cutting a pyramid in a plane parallel to the bottom surface. still,
A truncated pyramid has a shape similar to a truncated cone if the number of corners is large.
【0018】ここで、グラファイト主体の原料粉体に代
わってC60及び/またはカーボンナノチューブを主成分
とする原料粉体を用いることの意味は次のとおりであ
る。ダイヤモンド結晶を構成する炭素原子はsp3 混成軌
道を有する四配位(正三角錐)であり、グラファイトは
sp2 混成軌道を有する三配位のシート状連続体を形成し
ていることは公知の事実である。従ってグラファイトか
らダイヤモンドを合成する場合は完全な三配位から四配
位への組み換えが必要である。グラファイト主体の原料
粉体からのダイヤモンド合成に大きなエネルギーを要す
るのはこの部分である。The meaning of using a raw material powder containing C 60 and / or carbon nanotubes as a main component instead of the graphite-based raw material powder is as follows. The carbon atoms that make up a diamond crystal are four-coordinate (regular triangular pyramid) with sp 3 hybrid orbitals, and graphite is
It is a known fact that a three-coordinate sheet-like continuous body having an sp 2 hybrid orbital is formed. Therefore, in the case of synthesizing diamond from graphite, it is necessary to recombine completely from tri-coordinate to tetra-coordinate. It is this part that requires a large amount of energy to synthesize diamond from the graphite-based raw material powder.
【0019】ところがC60は球状の分子であり、sp2 と
sp3 の中間の混成度を有する結合を持っており、従って
グラファイトよりも低エネルギーでダイヤモンド構造を
形成しやすいのである。もちろんこれまでにもC60を出
発原料とする高圧ダイヤモンド合成に関する報告も成さ
れているが、その報告では、ダイヤモンドのみがエピタ
キシャル成長すること無く、ダイヤモンドとグラファイ
トの混相結晶微粒子が得られたのみであった。However, C 60 is a spherical molecule, and sp 2
It has a bond with a degree of hybridization intermediate to that of sp 3 , and is therefore easier to form a diamond structure with lower energy than graphite. Of course, there have been reports on high-pressure diamond synthesis using C 60 as a starting material, but in that report, only mixed-phase crystal fine particles of diamond and graphite were obtained without epitaxial growth of diamond alone. It was
【0020】上記C60に代えて、炭素の筒状結晶構造体
であるカーボンナノチューブを用いることも出来、その
場合の反応性はより高まるものと思われる。ここでカー
ボンナノチューブは正確な物性は明らかではないが、炭
素原子環が螺旋状に連続することによってシート状と成
り、該炭素原子シートによって筒状結晶を構成する事が
知られている。その報告では、合成条件によって形成す
る筒状結晶の太さが変化し、また筒状結晶の封止が生
じ、その変形箇所に五員環や七員環の形成による炭素数
の変化が認められ、炭素の結合状態が合成条件によって
変化し、C60の様な中間混成度結合が豊富に存在するこ
とが予測されている。Instead of C 60 , carbon nanotubes, which are a tubular crystal structure of carbon, can be used, and the reactivity in that case is considered to be further enhanced. Although the exact physical properties of the carbon nanotube are not clear, it is known that the carbon atom ring is formed into a sheet by spirally connecting the carbon atom rings, and the carbon atom sheet forms a cylindrical crystal. According to the report, the thickness of the tubular crystal formed changes depending on the synthesis conditions, the tubular crystal is sealed, and the change in the number of carbon atoms due to the formation of the five-membered ring or the seven-membered ring is observed at the deformation point. It is predicted that the bond state of carbon varies depending on the synthesis conditions, and abundant intermediary hybrid bonds such as C 60 exist.
【0021】従って該カーボンナノチューブは、C60の
様な炭素環の配列上の対称性が少ないために、C60以上
に混成度のバランスに大きな偏りを有する結晶構造に富
んでおり、従ってより低エネルギーによるダイヤモンド
構造への変換を容易成らしめ、原料の安定な供給が可能
となれば、高い生産性が得られる。Therefore, the carbon nanotube is rich in a crystal structure having a large deviation in the balance of the degree of hybridization above C 60 because the symmetry in the arrangement of carbon rings such as C 60 is small, and therefore lower. High productivity can be obtained if the conversion to the diamond structure by energy can be easily performed and the stable supply of the raw material is possible.
【0022】しかし、生産性の向上についてカーボンナ
ノチューブが有するC60に対する優位性は、大きくは原
料そのものの量産性に起因するものである。近年明らか
になった事として、カーボンナノチューブはC60等のフ
ラーレンを大きく上回る収率を示すことが知られてお
り、最新の報告ではヘリウムガスによる大気圧付近での
グラファイト電極を用いた放電により、C60の約三倍の
収率でカーボンナノチューブの形成を行ったとしてお
り、C60に比べダイヤモンドへの構造変換をすみやかに
実行出来ると同時に、原料供給が容易になるという特徴
を持っている。However, the superiority of carbon nanotubes with respect to C 60 in improving the productivity is largely due to the mass productivity of the raw material itself. It has been known in recent years that carbon nanotubes have a yield much higher than that of fullerenes such as C 60. In the latest report, helium gas discharges using a graphite electrode near atmospheric pressure. has a was formed of carbon nanotubes at about three times the yield of C 60, and at the same time quickly can execute structural conversion to diamond compared to C 60, it has the feature that the raw material supply is facilitated.
【0023】さらにカーボンナノチューブはC60に比べ
て、炭素分子中に各種不純物を添加することが容易であ
るということがある。C60を用いたデバイス材料等を作
成しようとする場合、C60が完全に球体であるため、炭
素同士の結合を解離し、不純物と置換するという操作を
行うのが大変困難である。それに比べカーボンナノチュ
ーブの場合は混成度のバランスがC60以上にアンバラン
スなため、部分的な結合の解離と、炭素の不純物への置
換が容易におこなえる。In addition, carbon nanotubes are easier to add various impurities into carbon molecules than C 60 . When trying to create a device material or the like using C 60 , it is very difficult to perform the operation of dissociating the bond between carbons and substituting with an impurity because C 60 is a completely spherical body. On the other hand, in the case of carbon nanotubes, the degree of hybridization is unbalanced to C 60 or more, so that partial bond dissociation and carbon substitution with impurities can be easily performed.
【0024】本発明の構成にいう圧力勾配とは、圧力の
強い場所と圧力の弱い場所を意図的に作ることによって
圧力の強弱がある圧力分布を形成することによって得ら
れるものをいう。圧力勾配のかけかたとしては、圧力発
生用圧子の中心部において圧力が最も高く、周囲に向か
うにしたがい圧力が小さくなるような圧力分布にするの
が望ましい。このような圧力勾配を得ることができる圧
力発生用圧子の形状の最適なものの一つとして円錐台形
状を挙げることができる。The pressure gradient as referred to in the constitution of the present invention means a pressure gradient obtained by intentionally creating a strong pressure spot and a weak pressure spot to form a pressure distribution having a strong and weak pressure. As a method of applying the pressure gradient, it is desirable that the pressure distribution is such that the pressure is highest in the central portion of the pressure generating indenter and the pressure becomes smaller as it goes toward the surroundings. One of the optimum shapes of the pressure generating indenter capable of obtaining such a pressure gradient is a truncated cone shape.
【0025】本発明の方法においても従来の技術の項で
記載したようなNiやFe等の融剤を用いることができ
るが、試料保持用のガスケットの溶融等の止むを得ない
場合を除いては、不純物対策として融剤の添加は避けた
方がよい。In the method of the present invention, a flux such as Ni or Fe as described in the section of the prior art can be used, except for the unavoidable case where the gasket for holding the sample is melted. As a countermeasure against impurities, it is better to avoid adding a flux.
【0026】本発明は、ダイヤモンド圧子およびそれに
対向する圧子を円錐型とし、両圧子間の距離を縮め両圧
子間の粉体材料に圧力を加えた時、原料粉体中に圧子先
端部と圧子周辺部とで圧力に不均一性すなわち圧力勾配
が生じるようにすることにより、ダイヤモンドの高圧合
成が連鎖反応的に進行することを実験的に見いだしたこ
とに基づくものである。According to the present invention, the diamond indenter and the indenter facing it are conical, and when the distance between both indenters is shortened and pressure is applied to the powder material between both indenters, the tip of the indenter and the indenter are contained in the raw material powder. It is based on the experimental finding that the high-pressure synthesis of diamond proceeds in a chain reaction by making the pressure non-uniform, that is, a pressure gradient, at the periphery.
【0027】特に、圧力発生用圧子の形状については、
圧力勾配発生機構の最適な形式を探索し、その有効性を
確認するための幾つかの予備実験を行い、先端部がフラ
ットな面を有するダイヤモンドアンビル(円錐台圧子)
と円錐型圧子の組み合わせが最も有効であることを見出
したことに基づくものである。Particularly, regarding the shape of the pressure generating indenter,
The optimum form of the pressure gradient generation mechanism was searched, and some preliminary experiments were conducted to confirm its effectiveness. The diamond anvil (frustroconical indenter) has a flat tip.
This is based on the finding that the combination of the and the conical indenter is the most effective.
【0028】そして、上記事実に基づき、圧力発生用圧
子(一般にアンビルと呼ばれる出発材料に圧力を加える
ための部材)を円錐台形状とし、さらにそれに対向する
圧子を円錐型とし、原料粉体において圧子先端部と圧子
周辺部とで圧力に不均一性すなわち圧力勾配を生じせし
め、同時に圧力最大部分にレーザー光を照射し、エネル
ギーを供給すると、C60によるダイヤモンド高圧合成が
連鎖反応的に進行することを見いだしたことによる。Based on the above facts, the indenter for pressure generation (a member generally called an anvil for applying pressure to the starting material) has a truncated cone shape, and the indenter facing it has a conical shape, and the indenter in the raw material powder is used. When non-uniformity in pressure, that is, a pressure gradient, is caused between the tip and the indenter peripheral portion, and at the same time, laser light is irradiated to the maximum pressure portion and energy is supplied, high-pressure diamond synthesis by C 60 proceeds in a chain reaction. It depends on what I found.
【0029】C60のような所謂フラーレンと、カーボン
ナノチューブの様な筒状炭素結晶との連鎖反応の進行形
態の違いについて、本発明者らは次のように考えてい
る。球状もしくは球状に近いフラーレンの場合は、炭素
分子内部においては構造上一様であり、加圧の影響は炭
素分子内部に一様に伝播してゆく。The present inventors consider the difference in the progress form of the chain reaction between so-called fullerenes such as C 60 and tubular carbon crystals such as carbon nanotubes as follows. In the case of spherical or near-spherical fullerenes, the inside of the carbon molecule is structurally uniform, and the effect of pressurization propagates uniformly inside the carbon molecule.
【0030】それに対してカーボンナノチューブの場合
は先端の封止部分や、テーパー構造部分等において炭素
環の炭素原子数が変化することにより、炭素の結合エネ
ルギーが偏った特異点と成り、構造変化の起点となると
思われる。この反応が、中間混成度の円筒状グラファイ
トや、隣接する他のカーボンチューブに伝播することに
より、ダイヤモンド構造形成が広がってゆく。On the other hand, in the case of carbon nanotubes, when the number of carbon atoms in the carbon ring changes in the sealing portion at the tip, the taper structure portion, etc., the binding energy of carbon becomes a singular point which is biased, resulting in a structural change. It seems to be the starting point. This reaction propagates to the intermediate hybrid cylindrical graphite and other adjacent carbon tubes, thereby expanding the diamond structure formation.
【0031】ここでその予備実験に関して詳解する。従
来、圧力勾配を原料粉体中に発生させるため、鋼材分散
法と呼ばれる炭素鋼の微細チップを粉体中に分散して圧
力勾配を発生させ、室温付近でダイヤモンドの形成を行
うことが可能との報告が成されている。そこで本発明者
等も、予備実験において同様の方法を試みた。結果とし
て、確かにダイヤモンドの形成は確認出来たが、最大で
も10μmの微粒子しか得られなかった。この場合、レー
ザー光や、ヒーターを用いて加熱を行う事も可能であろ
うが、不純物の混入は避けられない。またヒーターを用
いる場合はこれまでの高圧合成法の例から考えて、装置
がかなり大型化することが予想される。Here, the preliminary experiment will be described in detail. Conventionally, since a pressure gradient is generated in the raw material powder, it is possible to disperse fine tips of carbon steel called a steel material dispersion method in the powder to generate a pressure gradient and form diamond at around room temperature. Has been reported. Therefore, the present inventors also tried a similar method in a preliminary experiment. As a result, although formation of diamond was confirmed, only fine particles of 10 μm at maximum were obtained. In this case, it may be possible to perform heating using a laser beam or a heater, but mixing of impurities is unavoidable. Further, when a heater is used, the size of the device is expected to be considerably large, considering the examples of the high-pressure synthesis method so far.
【0032】次にダイヤモンドアンビルに対向する圧子
の一面に針状の突起を設け、針状の突起部分に圧力勾配
を発生させる方法を試みたが、やはり上記鋼材分散法と
同様微細な結晶粒しか得られなかった。また、レーザー
を用いた加熱をさらに行っても大きな変化は起こらなか
った。それに対して、中心に向かってテーパー状の形成
を施して円錐台形状にし、さらに表面に鏡面仕上げを施
したダイヤモンドアンビルを用いて、C60を主成分とす
る粉体材料に対して勾配を有した圧力を加え、そして圧
力が最大となるダイヤモンドアンビルの中心部分にレー
ザー光を照射すると、最も粒径の大きな試料が得られ
た。Next, an attempt was made to provide a needle-like projection on one surface of the indenter facing the diamond anvil and to generate a pressure gradient in the needle-like projection. I couldn't get it. Further, no significant change occurred even when heating was further performed using a laser. On the other hand, a diamond anvil having a truncated cone shape that is tapered toward the center and a mirror-finished surface is used to form a gradient with respect to the powder material containing C 60 as a main component. When the applied pressure was applied and the central part of the diamond anvil where the pressure was maximized was irradiated with laser light, the sample with the largest particle size was obtained.
【0033】[0033]
【作用】この時の圧力勾配の役割に関しては明確ではな
いが、本発明者等は、圧力勾配は融剤法におけるNiや
Feと同じ役割を果たすのではないかと考えている。す
なわち加熱により生じたダイヤモンド構造成分が高圧力
部分へ、グラファイト構造成分が低圧力部分へと、それ
ぞれの圧力条件における溶解度に応じて自然に集めら
れ、中心部分でのダイヤモンド相の大きさが増大してい
くと考えられる。Although the role of the pressure gradient at this time is not clear, the present inventors consider that the pressure gradient may play the same role as Ni and Fe in the flux method. That is, the diamond structural component generated by heating is naturally collected in the high pressure portion and the graphite structural component in the low pressure portion according to the solubility under each pressure condition, and the size of the diamond phase in the central portion increases. It is thought to continue.
【0034】すなわち、本発明は、適当な圧力勾配を設
定する事により、融剤法と同様なダイヤモンドの偏析効
果をもたらし、さらにダイヤモンドを合成させる圧力最
大の部分にダイヤモンドのエピタキシャル成長のための
種結晶となるダイヤモンドの窓材を位置させ、しかもこ
のダイヤモンドを合成させる圧力最大の部分にレーザ光
をダイヤモンドの窓材を通して照射することによって、
ダイヤモンドをエピタキシャル成長させるための条件を
形成するものである。そして、このダイヤモンドのエピ
タキシャル成長が起こる条件下において、低エネルギー
でダイヤモンド構造を形成しやすいC60を主成分とする
粉体材料をダイヤモンドの窓材を種結晶としてエピキタ
シャル成長させダイヤモンドを得るものである。That is, according to the present invention, by setting an appropriate pressure gradient, a segregation effect of diamond similar to that of the fluxing method is brought about, and further, a seed crystal for epitaxial growth of diamond is formed at the maximum pressure portion for synthesizing diamond. By arranging the diamond window material, and irradiating the laser beam through the diamond window material to the maximum pressure part that synthesizes this diamond,
It forms the conditions for epitaxially growing diamond. Then, under the condition that the epitaxial growth of diamond occurs, a powder material containing C 60 as a main component, which easily forms a diamond structure with low energy, is epitaxially grown using a diamond window material as a seed crystal to obtain diamond.
【0035】さらに上記のダイヤモンドのエピタキシャ
ル成長が起こる条件下において、低エネルギーでダイヤ
モンド構造を形成しやすく、供給効率の優れたカーボン
ナノチューブ粉体を用い、ダイヤモンドの窓材を種結晶
としてエピキタシャル成長させ大粒径ダイヤモンドを得
るものである。Further, under the above-mentioned conditions in which the epitaxial growth of diamond occurs, carbon nanotube powder that is easy to form a diamond structure with low energy and is excellent in supply efficiency is epitaxially grown using a diamond window material as a seed crystal to form large grains. This is to obtain a diamond of diameter.
【0036】また本発明における構成では、C60とカー
ボンナノチューブの混合粉体を出発としても、良い効果
が期待出来る。またその場合は炭素結合の混成度から考
えて、おそらくカーボンナノチューブから構造の変換が
発生し、C60を包み込むような形でダイヤモンド構造を
形成してゆくと思われ、その際のC60とカーボンナノチ
ューブの混合比を任意に調節することによって得られる
ダイヤモンドの粒径や反応速度等を調節する事が出来
る。In the constitution of the present invention, a good effect can be expected even if a mixed powder of C 60 and carbon nanotubes is used as a starting material. In that case, considering the degree of carbon bond hybridization, it is likely that the carbon nanotubes will undergo structural conversion, forming a diamond structure in such a way as to enclose C 60. In that case, C 60 and carbon The particle size and reaction rate of diamond obtained by adjusting the mixing ratio of the nanotubes can be adjusted.
【0037】[0037]
〔実施例1〕以下、本発明の構成を利用したダイヤモン
ド作製装置の一例を説明する。本実施例は、原料粉体と
して、C60及び/またはカーボンナノチューブを主成分
とする粉体を使用し、圧力勾配を有せしめて圧力を加
え、さらにレーザー光を圧力最大部分に照射することに
より、従来の高圧合成法よりも低圧力・低温度でダイヤ
モンドの大型粒子の形成が行なうことができるダイヤモ
ンド作製装置に関するものである。[Embodiment 1] Hereinafter, an example of a diamond manufacturing apparatus utilizing the configuration of the present invention will be described. In this example, a powder containing C 60 and / or carbon nanotubes as a main component was used as the raw material powder, a pressure was applied with a pressure gradient, and laser light was irradiated to the maximum pressure portion. The present invention relates to a diamond manufacturing apparatus capable of forming large diamond particles at a lower pressure and lower temperature than conventional high pressure synthesis methods.
【0038】図1に本実施例のダイヤモンド作製装置を
示す。図1において、シリンダー型の圧縮装置(以下、
この部分を高圧容器とする)が示されている。この高圧
容器において、円錐台形状をした圧力発生用圧子1の先
端にダイヤモンド窓材5が設けられている(以下、この
圧力発生用圧子部分を上部圧子1とする)。上部圧子1
は、シリンダー2の内側に設けられたスパイラル溝4に
沿って移動し、別の一方の圧子(以下この部分を下部圧
子7とする)との間でガスケット3によって保持された
原料粉体(ここではC60粉体を使用)6を圧縮する。こ
の時、前述の圧力勾配発生の為、上部圧子1は円錐の頂
部を水平に切り落とした円錐台形状にし、下部圧子7は
円錐形のものを用いた。これは、圧力勾配を有せしめて
粉体材料に対して圧力を加え、かつ上部圧子1の頂部1
0において最大圧力が加わるようにするためである。も
ちろん上部圧子1と下部圧子7の両方を円錐台形状とし
てもよい。FIG. 1 shows a diamond manufacturing apparatus of this embodiment. In FIG. 1, a cylinder type compression device (hereinafter,
This portion is referred to as a high pressure vessel). In this high-pressure container, a diamond window material 5 is provided at the tip of a pressure generating indenter 1 having a truncated cone shape (hereinafter, this pressure generating indenter portion is referred to as an upper indenter 1). Upper indenter 1
Moves along a spiral groove 4 provided inside the cylinder 2 and is held by a gasket 3 between another raw material indenter (hereinafter, this portion is referred to as a lower indenter 7). Then, use C 60 powder.) 6 is compressed. At this time, in order to generate the above-mentioned pressure gradient, the upper indenter 1 has a truncated cone shape in which the top of the cone is cut off horizontally, and the lower indenter 7 has a conical shape. This applies pressure to the powder material with a pressure gradient, and the top 1 of the upper indenter 1
This is because the maximum pressure is applied at 0. Of course, both the upper indenter 1 and the lower indenter 7 may have a truncated cone shape.
【0039】ガスケット3は粉体材料を保持するための
ものであり、粉体を周囲から圧迫し、粉体に圧力を加え
るようにも作用する。ガスケット3の材質は、Fe、S
US、Niを用いることができ、本実施例においてはF
eを用いた。The gasket 3 is for holding the powder material, and also acts to press the powder from the surroundings and apply pressure to the powder. The material of the gasket 3 is Fe, S
US or Ni can be used, and in this embodiment, F
e was used.
【0040】ダイヤモンドの出発材料である粉体材料に
圧力を加えるのは、上部圧子1をスパイラル4に沿って
ネジ込むことによって行った。そしてこの際、下部圧子
7は固定した。圧力を加えていき、両圧子間において粉
体6が2〜3GPa程度の圧力に達した状態で、ダイヤ
モンド窓材5を通して、赤外領域の発光を持つ炭酸ガス
レーザー(以下CO2 レーザー) を原料粉体方向へ照射
した。ただしレーザー出力は加熱による到達目標温度に
より変更可能である。レーザー光投入の模様を示した模
式図を図2に示す。この時、CO2 レーザー光8はレン
ズ9により焦点調整され、ダイヤモンド窓材5を通して
粉体6に照射される。なお、圧力の感知は、スパイラル
4に沿って回転しながらシリンダー2内を移動する下部
圧子1の回転トルクより計測した。The pressure was applied to the powder material, which is the starting material of diamond, by screwing the upper indenter 1 along the spiral 4. At this time, the lower indenter 7 was fixed. A carbon dioxide gas laser (hereinafter referred to as CO 2 laser) that emits light in the infrared region through the diamond window material 5 is used as a raw material in a state where the powder 6 reaches a pressure of about 2 to 3 GPa between both indenters by applying pressure. Irradiation was performed in the powder direction. However, the laser output can be changed depending on the target temperature reached by heating. A schematic diagram showing the pattern of laser light injection is shown in FIG. At this time, the focus of the CO 2 laser beam 8 is adjusted by the lens 9, and the powder 6 is irradiated through the diamond window material 5. The pressure was detected by measuring the rotational torque of the lower indenter 1 moving in the cylinder 2 while rotating along the spiral 4.
【0041】この時、レーザー光が照射される加熱部分
すなわち最高圧力部分(図1の10で示される部分)に
於いて粉体の溶融が発生し、レーザー光の照射用窓であ
るダイヤモンド窓材5がちょうどエピタキシャル成長法
における種結晶と同じ役割を果たすことになる。その結
果、C60粉体の炭素はその配列をダイヤモンド型に替
え、ダイヤモンドへの直接変換が行われる。このエピタ
キシャル成長効果は、本発明の様に最高圧力が発生する
ダイヤモンドの窓材部分と、その部分に照射されるレー
ザー光と、C60粉体原料の併用により初めて可能とな
る。この時、最高圧力部分で生じたC60〜ダイヤモンド
+グラファイト構造の成分から、グラファイトのみが周
辺の若干低圧力部分へ移動し、ダイヤモンドの高純度エ
ピタキシャル成長が進行していく。At this time, melting of the powder occurs in the heated portion irradiated with the laser light, that is, the highest pressure portion (the portion indicated by 10 in FIG. 1), and the diamond window material serving as the laser light irradiation window. 5 plays the same role as the seed crystal in the epitaxial growth method. As a result, the carbon of the C 60 powder changes its arrangement into a diamond shape and is directly converted into diamond. This epitaxial growth effect becomes possible only by using the diamond window material portion where the maximum pressure is generated as in the present invention, the laser beam irradiated to that portion, and the C 60 powder raw material. At this time, from the component of C 60 -diamond + graphite structure generated in the highest pressure portion, only graphite moves to the peripheral slightly lower pressure portion, and high-purity epitaxial growth of diamond proceeds.
【0042】温度上昇に伴ってガスケット3の一部も溶
融状態になる。一般にこのような高圧ダイヤモンド合成
反応において必然的に生成されるグラファイトは溶融ガ
スケット3に取り込まれるが、前述のように圧力勾配に
よって中心エピタキシャル成長が促進されるので、ダイ
ヤモンドに対するガスケット3の溶融による影響はさほ
ど大きくはない。As the temperature rises, part of the gasket 3 also becomes molten. Generally, graphite that is inevitably produced in such a high-pressure diamond synthesis reaction is taken into the molten gasket 3, but since the central epitaxial growth is promoted by the pressure gradient as described above, the influence of the melting of the gasket 3 on diamond is not so great. Not big.
【0043】以上記載したダイヤモンド作製装置は、シ
リンダーごとレーザー光発信口の直後で逐次交換・移動
が可能なものとなるため、前述の工程の繰り返しが容易
になり、連続的なダイヤモンド高圧合成が可能となる。In the diamond manufacturing apparatus described above, since the cylinders can be sequentially exchanged and moved immediately after the laser light emitting port, the above steps can be easily repeated and continuous diamond high pressure synthesis can be performed. Becomes
【0044】〔実施例2〕本実施例では、実施例1で示
した図1に示すダイヤモンド作製装置を用いた本発明の
ダイヤモンド作製方法の応用例を示す。本発明の構成を
用いると、これまでのグラファイト粉体を用いた高圧合
成法に比べて必要な圧力・温度を低くすることができ、
装置の規模を縮小する事が可能である。本実施例は、図
1の様な1次元方向に圧力を加える構造の1次元方向圧
縮型の装置を使用したものである。[Embodiment 2] In this embodiment, an application example of the diamond producing method of the present invention using the diamond producing apparatus shown in FIG. By using the configuration of the present invention, it is possible to lower the required pressure and temperature compared to the conventional high pressure synthesis method using graphite powder,
It is possible to reduce the scale of the device. This embodiment uses a one-dimensional compression type device having a structure for applying a pressure in one-dimensional direction as shown in FIG.
【0045】しかしレーザー光を導入する上部圧子先端
において最大圧力を有せしめた圧力勾配を形成できるな
らば、図3に示すように、下部圧子を複数に分割して粉
体の加圧を行う形式の構造でもよい。この図3に示す装
置において、符号は図1の場合と同様であり、1が上部
圧子、7が複数に分割された下部圧子、5がダイヤモン
ドの窓材である。また、出発材料となる粉体を加圧する
圧子の形状も完全な円錐台や角錐台に限定されるもので
はなく、勾配を有した圧力を加えることができ、かつ最
大圧力が生じる部分にダイヤモンドの窓材を通してレー
ザー光を照射することができる構成ならばよい。However, if it is possible to form a pressure gradient having a maximum pressure at the tip of the upper indenter for introducing the laser beam, the lower indenter is divided into a plurality of types to press the powder as shown in FIG. The structure of In the apparatus shown in FIG. 3, reference numerals are the same as those in FIG. 1, 1 is an upper indenter, 7 is a lower indenter divided into a plurality of parts, and 5 is a diamond window material. Further, the shape of the indenter for pressurizing the powder as the starting material is not limited to a perfect truncated cone or a truncated pyramid, and a pressure having a gradient can be applied, and the diamond of the portion where the maximum pressure is generated is formed. Any structure may be used as long as it can irradiate laser light through the window material.
【0046】本実施例では、レーザー光源として波長1
0.6μm のCO2 レーザーを使用した。圧子兼レーザ
ー光導入用のダイヤモンドの窓材5は、波長10.6μ
m において70%以上の透過率を有する、2a型単結晶
ダイヤモンド板を用いた。また、このダイヤモンドの窓
材5は端面を各直径10mm、5mm、厚さ約7mmの
のテーパー状態に加工したものを用いた。In this embodiment, the laser light source has a wavelength of 1
A 0.6 μm CO 2 laser was used. The window material 5 of diamond for indenter / laser light introduction has a wavelength of 10.6 μm.
A 2a type single crystal diamond plate having a transmittance of 70% or more in m 2 was used. Further, the diamond window material 5 used was one whose end surface was processed into a taper state with a diameter of 10 mm, 5 mm, and a thickness of about 7 mm.
【0047】もちろん、圧子兼レーザー光導入窓である
ダイヤモンドの窓材5を構成するダイヤモンドの透過可
能な波長と、レーザー光の波長とのマッチングが好まし
いものであり、レーザー光源が安定して照射可能なもの
であれば、ダイヤモンドの窓材5の種類と加圧形式は選
択の余地を持っており、本発明はレーザー光源の種類や
ダイヤモンドの型に対し限定を加えるものではない。Of course, it is preferable to match the wavelength of the laser beam with the wavelength of the laser beam which can be transmitted by the diamond constituting the window material 5 of the diamond which is the indenter / laser beam introduction window, so that the laser light source can be stably irradiated. If so, the type of the window material 5 of diamond and the pressurizing method have a choice, and the present invention does not limit the type of laser light source and the type of diamond.
【0048】原料粉体6としては、市販のC60粉体(9
8%、残部はC70)を用いた。1工程でこの粉末を約5
〜7g使用した。粉体は下部圧子とFe製ガスケット3
によって形成される直径4.5mm、深さ25mmの穴
の中に充填した。圧子の加圧効果からも粉体充填穴の直
径がレーザー光の導入窓であるダイヤモンドの窓材5の
直径を上回る事は好ましくない。しかし深さ方向の寸法
に関しては、数量と品質、ガスケット材料の能力に関す
る検討から調整が加えられてしかるべきであろう。もち
ろん直径寸法に付いても、使用可能なダイヤモンド窓材
5の大きさによって変更されて良い。As the raw material powder 6, commercially available C 60 powder (9
8% and the balance was C 70 ). Approximately 5 of this powder in one step
~ 7g was used. Powder is lower indenter and Fe gasket 3
Were filled in a hole having a diameter of 4.5 mm and a depth of 25 mm. It is not preferable that the diameter of the powder filling hole exceeds the diameter of the diamond window material 5, which is the introduction window of the laser beam, also from the pressing effect of the indenter. However, with respect to the depth dimension, adjustments should be made based on consideration of quantity and quality and the ability of the gasket material. Of course, the diameter may be changed depending on the size of the diamond window material 5 that can be used.
【0049】出発材料であるC60を主成分とする粉体に
圧力を加えるには、下部圧子7とガスケット3とで形成
される穴(図1で6で示される部分に相当する)にC60
粉体を充填した状態で、ダイヤモンドの窓材5を組み込
んだ上部圧子1をシリンダー2の内壁に沿って回転さ
せ、下部圧子7方向へ移動させることにより行なう。移
動の様子を図4に示す。予備実験において上部圧子にか
かるトルクから原料粉体中の上部−下部圧子間に生じて
いる圧力を予め測定しておき、以後その測定圧力値に基
づいて上部圧子の位置・移動量を決定した。本実施例で
はその上部−下部圧子間圧力値を、融剤法より低い3G
Paとした。In order to apply pressure to the powder containing C 60 as a starting material, C is applied to the hole formed by the lower indenter 7 and the gasket 3 (corresponding to the portion indicated by 6 in FIG. 1). 60
With the powder filled, the upper indenter 1 incorporating the diamond window material 5 is rotated along the inner wall of the cylinder 2 and moved toward the lower indenter 7. The state of movement is shown in FIG. In a preliminary experiment, the pressure generated between the upper and lower indenters in the raw material powder was measured in advance from the torque applied to the upper indenter, and thereafter the position and movement amount of the upper indenter were determined based on the measured pressure value. In this embodiment, the pressure value between the upper and lower indenters is set to 3 G lower than that of the flux method.
It was Pa.
【0050】原料粉体内部圧力は、圧力勾配がかけられ
ているので、一様ではない。特に図1でレーザー光を示
す直線8上における上部−下部圧子間の圧力は、常にそ
の他の部分に生じている圧力を上回る値すなわち最大圧
力である。なお、上記上部−下部圧子間の圧力というの
は、この最大圧力部分(図1の10で示される部分)の
圧力である。The internal pressure of the raw material powder is not uniform because a pressure gradient is applied. In particular, the pressure between the upper and lower indenters on the straight line 8 showing the laser beam in FIG. 1 is a value that is always higher than the pressure generated in other portions, that is, the maximum pressure. The pressure between the upper and lower indenters is the pressure of this maximum pressure portion (the portion indicated by 10 in FIG. 1).
【0051】C60粉体を図1の示すような状態でシリン
ダー2内に所定の圧力で充填したら、この高圧充填状態
の容器をCO2 レーザー発信口に装着する。装着の位置
関係は、前述の図2に従って行った。レーザー光の焦点
は、CO2 レーザー発信口に設けられたレンズ9により
焦点を調節する。上部圧子から外部に露出したダイヤモ
ンド窓材の直径は4mmである。After the C 60 powder is filled in the cylinder 2 at a predetermined pressure in the state as shown in FIG. 1, this high-pressure filled container is attached to the CO 2 laser emission port. The positional relationship of mounting was performed according to FIG. 2 described above. The focus of the laser light is adjusted by the lens 9 provided at the CO 2 laser emission port. The diameter of the diamond window material exposed from the upper indenter to the outside is 4 mm.
【0052】レーザー光は、上部圧子に接触すること無
く、ちょうどダイヤモンドの窓材より奥のC60粉体に焦
点を合わせる必要がある。焦点がC60粉体にあっている
と、溶融がC60粉体で生じ、ダイヤモンド窓材を形成核
とした構造の組み換えによるエピタキシャルな結晶成長
が可能になる。しかしダイヤモンド側に焦点を合わせる
とダイヤモンド窓の分解が発生し、強度劣化に伴う破断
でダイヤモンドの形成条件が破られる。この焦点調整に
も幾度かの予備実験を行う必要がある。実験では、焦点
をC60粉体側に置けば、ダイヤモンド窓材の機械的強度
は充分CO2 レーザー光の加熱に耐えられ、かつC60粉
体の解離・組み換えが充分可能である事は確認できた。It is necessary to focus the laser light on the C 60 powder just behind the diamond window material without contacting the upper indenter. When the focus is on the C 60 powder, melting occurs in the C 60 powder, and epitaxial crystal growth is possible by recombining the structure with the diamond window material as the forming nucleus. However, if the focus is on the diamond side, the diamond window will be decomposed, and the diamond formation conditions will be broken due to the fracture due to strength deterioration. It is necessary to perform some preliminary experiments for this focus adjustment as well. In the experiment, it was confirmed that the mechanical strength of the diamond window material can withstand the heating of CO 2 laser light sufficiently and that the C 60 powder can be dissociated and recombined sufficiently if the focus is placed on the C 60 powder side. did it.
【0053】この加圧・加熱状態で2〜3時間保持し、
反応時間経過後、速やかにレーザー出力を落とした。な
おこの時の反応温度の測定を、光学温度計を使用して試
みたところ、内部の最高温度はおよそ2000℃程度で
はないかと思われるが、焦点距離の調整や、光学温度計
の信頼性の問題から、正確な測定は困難と思われる。Hold this pressurized / heated state for 2-3 hours,
After the reaction time had elapsed, the laser output was immediately reduced. When the reaction temperature at this time was measured using an optical thermometer, it seems that the maximum internal temperature is about 2000 ° C, but the adjustment of the focal length and the reliability of the optical thermometer Due to problems, accurate measurement seems difficult.
【0054】その後、高圧容器をCO2 レーザー発信口
から取外し、上部圧子を緩めて減圧し、試料を高圧容器
から取り出した。Then, the high-pressure container was removed from the CO 2 laser emission port, the upper indenter was loosened to reduce the pressure, and the sample was taken out from the high-pressure container.
【0055】〔実施例3〕本実施例では、カーボンナノ
チューブ粉体を原料としたダイヤモンド合成例を示す。Example 3 In this example, an example of diamond synthesis using carbon nanotube powder as a raw material is shown.
【0056】本実施例でも、実施例1、2と同様にレー
ザー光源として波長10.6μm のCO2 レーザーを使
用し、ダイヤモンド窓材5は、2a型単結晶ダイヤモン
ド板を用いた。Also in this example, as in Examples 1 and 2, a CO 2 laser having a wavelength of 10.6 μm was used as the laser light source, and the diamond window material 5 was a 2a type single crystal diamond plate.
【0057】原料粉体6としては、約25%のカーボン
ナノチューブを含有する炭素粉体を約5〜7g用いた。
この粉体は本発明者らが大気圧ヘリウムガス中でのグラ
ファイト電極放電により合成した。粉体は下部圧子とF
e製ガスケット3によって形成される穴の中に充填し、
カーボンナノチューブ充填状態で上部圧子1をシリンダ
ー2の内壁に沿って回転させ、下部圧子7方向へ移動さ
せることにより加圧した。本実施例でも圧力値を3GP
aとした。圧子間の圧力というのは、最大圧力部分(図
1の10で示される部分)の圧力である。As the raw material powder 6, about 5 to 7 g of carbon powder containing about 25% of carbon nanotubes was used.
This powder was synthesized by the present inventors by a graphite electrode discharge in atmospheric pressure helium gas. Powder is lower indenter and F
filled in the hole formed by the e-made gasket 3,
The upper indenter 1 was rotated along the inner wall of the cylinder 2 in the state filled with carbon nanotubes, and moved toward the lower indenter 7 to apply pressure. Also in this embodiment, the pressure value is 3GP.
a. The pressure between the indenters is the pressure of the maximum pressure portion (the portion indicated by 10 in FIG. 1).
【0058】カーボンナノチューブ粉体をシリンダー2
内に所定の圧力で充填したら、この高圧充填状態の容器
をCO2 レーザー発信口に装着し、レーザー光の焦点を
調節する。レーザー光はダイヤモンドの窓材より奥の粉
体に焦点を合わせる必要がある。Cylinder 2 with carbon nanotube powder
After filling the inside of the container with a predetermined pressure, the container in the high-pressure filled state is attached to the CO 2 laser emission port to adjust the focus of laser light. The laser light needs to be focused on the powder behind the diamond window material.
【0059】焦点が合った部分で溶融が生じ、ダイヤモ
ンド窓材を形成核とした構造の組み換えによるエピタキ
シャルな結晶成長が進行する。この加圧・加熱状態で2
〜3時間保持し、反応時間経過後、速やかにレーザー出
力を落とした。その後、高圧容器をCO2 レーザー発信
口から取外し、上部圧子を緩めて減圧し、試料を回収し
た。Melting occurs at the in-focus portion, and epitaxial crystal growth proceeds due to the recombination of the structure having the diamond window material as a forming nucleus. 2 in this pressurized / heated state
It was maintained for ~ 3 hours, and the laser output was immediately reduced after the reaction time had elapsed. Then, the high-pressure container was removed from the CO 2 laser emission port, the upper indenter was loosened to reduce the pressure, and the sample was collected.
【0060】〔実施例4〕本実施例では、不純物を置換
ドーピングしたカーボンナノチューブを用いた半導体ダ
イヤモンド作製方法を示す。本発明の構成において原料
粉体にカーボンナノチューブを用いると、これまでのグ
ラファイト粉体あるいはC60粉体を用いた高圧合成法に
比べて容易に不純物を添加し、半導体ダイヤモンドを作
製することが可能である。[Embodiment 4] In this embodiment, a method for producing a semiconductor diamond using carbon nanotubes substitutionally doped with impurities will be described. When carbon nanotubes are used as the raw material powder in the constitution of the present invention, it is possible to easily add impurities and to manufacture semiconductor diamond, as compared with the conventional high pressure synthesis method using graphite powder or C 60 powder. Is.
【0061】原料粉体6は、実施例2と同様にカーボン
ナノチューブ約25%を約5〜7g使用した。ただしこ
の粉体は大気圧ヘリウム中で放電合成中に、原子%にし
て約0.1〜25%好ましくは1〜5%の窒素を流し、
弱冠の窒素置換を試みたものである。言うまでもなく、
これはその合成が大変困難であることが知られている、
n型半導体ダイヤモンドの原料たることを目的としてい
る。目的半導体がp型の場合は、窒素に代えてホウ素化
合物気体を用いても良い。またn型を目的としていて
も、例えばリン化合物ガスを用いても良い。ただしこの
段階では炭素−窒素のナノチューブ中での存在状態を検
討していない。As the raw material powder 6, as in Example 2, about 5 to 7 g of carbon nanotubes of about 25% was used. However, this powder is made to flow about 0.1 to 25%, preferably 1 to 5% of nitrogen in atomic% during discharge synthesis in atmospheric pressure helium,
This is an attempt to replace the weak crown with nitrogen. not to mention,
It is known that its synthesis is very difficult,
The purpose is to be a raw material for n-type semiconductor diamond. When the target semiconductor is p-type, a boron compound gas may be used instead of nitrogen. Also, for the purpose of n-type, for example, a phosphorus compound gas may be used. However, at this stage, the existence state of carbon-nitrogen in the nanotube is not examined.
【0062】上記の様にして得られた炭素粉体を下部圧
子7とガスケット3とで形成される穴に充填した状態
で、これまで同様ダイヤモンドの窓材5を組み込んだ上
部圧子1を下部圧子7方向へ移動させることにより加圧
を行なう。本実施例ではその上部−下部圧子間圧力値
を、実施例1〜3より弱冠高い4.2GPaとした。With the carbon powder obtained as described above being filled in the hole formed by the lower indenter 7 and the gasket 3, the upper indenter 1 incorporating the diamond window material 5 as before is replaced by the lower indenter. Pressurization is performed by moving in 7 directions. In this example, the pressure value between the upper and lower indenters was set to 4.2 GPa, which is slightly higher than those in Examples 1 to 3.
【0063】この高圧充填状態の容器をに対するレーザ
ー光投入方式は実施例1〜3と同様である。すなわちC
O2 レーザー発信口に装着し、レーザー光の焦点をダイ
ヤモンドの窓材より奥の原料粉体に合わせる。この加圧
・加熱状態で2〜3時間保持し、反応時間経過後、速や
かにレーザー出力を落とし、CO2 レーザー発信口から
取外し、上部圧子を緩めて減圧し、試料を回収した。The method of applying a laser beam to the container in the high-pressure filled state is the same as in Examples 1-3. Ie C
It is attached to the O 2 laser emission port and the laser beam is focused on the raw material powder behind the diamond window material. This pressurized / heated state was maintained for 2 to 3 hours, and after the reaction time had elapsed, the laser output was quickly reduced, the CO 2 laser emission port was removed, the upper indenter was loosened to reduce the pressure, and the sample was recovered.
【0064】〔実施例5〕レーザー光の焦点距離を移動
させることにより、得られるダイヤモンドの品質に違い
が生じることが予想される。これは、種結晶としても働
くダイヤモンドの窓材5により構成される窓とレーザー
光の焦点との間の距離が変化するからである。そこで焦
点距離の影響を比較する為、レーザー光の焦点をダイヤ
モンドの窓材から約12mmにおいた。その他の条件は
実施例1と同様であり、加熱状態で2〜3時間保持して
反応させた。[Embodiment 5] It is expected that the quality of the obtained diamond will be changed by moving the focal length of the laser beam. This is because the distance between the window formed by the diamond window material 5 that also functions as a seed crystal and the focal point of the laser light changes. Therefore, in order to compare the influence of the focal length, the focal point of the laser beam was set at about 12 mm from the diamond window material. Other conditions were the same as in Example 1, and the reaction was carried out by holding the heated state for 2-3 hours.
【0065】〔実施例で得られた試料の評価〕実施例1
〜5において得られた試料の比較評価について以下に記
載する。評価項目は試料の大きさ・色を目視にて観察評
価した結果、およびラマン分光測定から推測される品質
についてである。[Evaluation of Samples Obtained in Examples] Example 1
Comparative evaluation of the samples obtained in Examples 5 to 5 will be described below. The evaluation items are the results of visual observation and evaluation of the size and color of the sample, and the quality estimated from Raman spectroscopy.
【0066】実施例2で作製した試料は、ガスケット3
および下部圧子7と試料との界面に、不純物と見られる
薄皮状の析出物が認められた他は、直径0.5〜1.5
mmの良質な単結晶ダイヤモンド材料が得られた。一方
実施例5では、ほぼ20%が無定形炭素主体の析出物と
なっていた。この原因は実施例2ではレーザー光の焦点
のズレにより、ダイヤモンド窓が種結晶として十分に役
立っていないためと考えられる。以上のことより、レー
ザー光の焦点距離の設定がダイヤモンドの品質を決定す
る上で非常に重要である事が判った。The sample prepared in Example 2 was the gasket 3
And 0.5 to 1.5 in diameter except that a thin skin-like precipitate which is considered as an impurity was observed at the interface between the lower indenter 7 and the sample.
A high quality single crystal diamond material of mm was obtained. On the other hand, in Example 5, about 20% was a precipitate mainly composed of amorphous carbon. It is considered that this is because in Example 2, the diamond window does not sufficiently serve as a seed crystal due to the shift of the focus of the laser beam. From the above, it was found that the setting of the focal length of the laser beam is very important in determining the quality of diamond.
【0067】また、実施例5において作製したダイヤモ
ンド結晶粒と、周辺部で得られた薄膜状の析出物につい
てラマン分光スペクトルによる評価を試みた。ダイヤモ
ンド結晶粒のスペクトルを図5に、薄膜状析出物のスペ
クトルを図6にそれぞれ示す。このラマン分光スペクト
ルに示されているピーク高さと半値幅から、中心部(最
大圧力が加わっている部分)の粒子試料は、ほぼ完全な
単結晶粒子として得られているが、周辺部においてはダ
イヤモンド構造を有するものの無定形炭素構造が多く混
在した薄膜状に連続した堆積物として形成されているこ
とが明らかになった。Further, the diamond crystal grains produced in Example 5 and the thin film-shaped precipitates obtained in the peripheral portion were evaluated by Raman spectroscopy. The spectrum of the diamond crystal grains is shown in FIG. 5, and the spectrum of the thin film deposit is shown in FIG. From the peak height and full width at half maximum shown in this Raman spectrum, the particle sample in the central part (the part where maximum pressure is applied) was obtained as almost perfect single crystal particles, but in the peripheral part it was diamond. It was clarified that it was formed as a continuous deposit in the form of a thin film in which a large amount of amorphous carbon structure was mixed even though it had a structure.
【0068】実施例3においてカーボンナノチューブ含
有粉体から作製したダイヤモンドは、ラマン分光分析で
は図5に示すものとほぼ同一の結果が、C60を用いた場
合の三分の一の時間で形成可能という、特筆すべき結果
が得られた。The diamond produced from the carbon nanotube-containing powder in Example 3 showed almost the same result as that shown in FIG. 5 in Raman spectroscopic analysis, but it could be formed in one third of the time when C 60 was used. That is a remarkable result.
【0069】また実施例4において窒素をドーピングし
たカーボンナノチューブ含有粉体から作製したダイヤモ
ンドは、ラマン分光分析上は図5よりも図6に近いもの
であったが、可視−紫外光吸収分析を試みたところ、I
b型に類似の均一な窒素分散を有しており、且つ100
Ω・cm以下(最低で76Ω・cm)の抵抗値を有したn型
半導体ダイヤモンドであることがわかった。The diamond prepared from the carbon nanotube-containing powder doped with nitrogen in Example 4 was closer to that of FIG. 6 than that of FIG. 5 in Raman spectroscopic analysis, but a visible-ultraviolet absorption analysis was tried. Okay, I
It has a uniform nitrogen distribution similar to type b, and
It was found to be an n-type semiconductor diamond having a resistance value of Ω · cm or less (at least 76 Ω · cm).
【0070】[0070]
【発明の効果】以上の如く、本発明の構成であるダイヤ
モンド合成の出発材料であるC60及び/またはカーボン
ナノチューブを主成分とする粉体に圧力勾配を有して圧
力を加え、圧力最大の部分にダイヤモンドを構成材料と
した窓を通してレーザー光を照射することによって、こ
れまでの高圧合成法よりも、はるかに小型の装置を用い
た低温度・低圧力プロセスによって、高品質な単結晶ダ
イヤモンドを容易に合成可能とすることができるように
なった。また、直接変換法より小型の高圧容器を用いる
ことができるので、高圧容器を交換することで、高い量
産性を得ることができるという別な効果も得ることがで
きた。さらに不純物雰囲気中で合成したカーボンナノチ
ューブを原料粉体として用いることにより、容易に半導
体ダイヤモンドを合成することが出来た。INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the powder having C 60 and / or carbon nanotubes, which is the starting material for synthesizing diamond, which is the constitution of the present invention, as a main component is applied with a pressure gradient so that the maximum pressure is obtained. By irradiating laser light through a window made of diamond as a constituent material, high-quality single crystal diamond can be obtained by a low temperature and low pressure process using a much smaller device than the conventional high pressure synthesis method. It became possible to synthesize easily. Moreover, since a high-pressure container smaller than the direct conversion method can be used, another effect that high mass productivity can be obtained by exchanging the high-pressure container was obtained. Furthermore, by using carbon nanotubes synthesized in an impurity atmosphere as the raw material powder, semiconductor diamond could be easily synthesized.
【図1】 シリンダー型高圧容器の模式図FIG. 1 is a schematic diagram of a cylinder type high pressure container.
【図2】 レーザー光投入模式図[Fig. 2] Schematic diagram of laser light injection
【図3】 下部圧子分割型高圧容器の模式図FIG. 3 is a schematic diagram of a lower indenter split type high pressure vessel.
【図4】 加圧メカニズムの模式図FIG. 4 is a schematic diagram of a pressurizing mechanism.
【図5】 ラマン分光スペクトル図FIG. 5 Raman spectrum diagram
【図6】 ラマン分光スペクトル図FIG. 6 Raman spectrum diagram
1 上部圧子 2 シリンダー 3 ガスケット 4 スパイラル溝 5 ダイヤモンドの窓材 6 C60粉体 7 下部圧子 8 レーザー光 9 レーザー用光レンズ 10 圧力最大部分1 Upper indenter 2 Cylinder 3 Gasket 4 Spiral groove 5 Diamond window material 6 C 60 powder 7 Lower indenter 8 Laser light 9 Laser light lens 10 Maximum pressure part
Claims (6)
として、該粉体材料を高圧にすることによってダイヤモ
ンドを作製する方法であって、 前記炭素を主成分とする粉体材料としてC60及び/また
はカーボンナノチューブを主成分とする粉体材料を用
い、 前記炭素を主成分とする粉体材料を高圧にするに際し
て、圧力勾配を有して圧力を加え、かつ圧力が最大の部
分にレーザ光を照射することを特徴とするダイヤモンド
作製方法。1. A method for producing diamond by using a powder material containing carbon as a main component as a starting material and applying a high pressure to the powder material, wherein C is used as the powder material containing the carbon as a main component. 60 and / or using a powder material containing carbon nanotubes as a main component, when applying a high pressure to the powder material containing carbon as a main component, a pressure is applied with a pressure gradient, and A method for producing diamond, which comprises irradiating a laser beam.
る炭素分子及び/又は炭素結晶が、カーボンナノチュー
ブ中に窒素及び/または窒素化合物、リン及び/または
リン化合物やホウ素及び/またはホウ素化合物をその構
造中に含むものとすることにより、容易に半導体ダイヤ
モンドの形成を可能とすることを特徴とするダイヤモン
ド作製方法。2. The carbon molecule and / or carbon crystal, which is the main component of the powder material according to claim 1, is nitrogen and / or a nitrogen compound, phosphorus and / or a phosphorus compound, boron and / or a boron compound in the carbon nanotube. The method for producing diamond is characterized in that by including in the structure thereof, a semiconductor diamond can be easily formed.
として、該粉体材料を高圧にすることによってダイヤモ
ンドを作製する方法であって、 前記炭素を主成分とする粉体材料としてC60及び/また
はカーボンナノチューブを主成分とする粉体材料を用
い、 前記炭素を主成分とする粉体材料を高圧にするに際し
て、圧力勾配を有して圧力を加え、かつ圧力が最大の部
分にダイヤモンドの窓材を通してレーザ光を照射するこ
とで、前記窓材を構成するダイヤモンドを種結晶として
前記炭素を主成分とする粉体材料からダイヤモンドを作
製することを特徴とするダイヤモンド作製方法。3. A method for producing diamond by using a powder material containing carbon as a main component as a starting material and applying a high pressure to the powder material, wherein the powder material containing carbon as the main component is C 60 and / or using a powder material containing carbon nanotubes as a main component, when applying a high pressure to the powder material containing carbon as a main component, a pressure is applied with a pressure gradient, and A method for producing a diamond, comprising irradiating a laser beam through a window material of diamond to produce a diamond from a powder material containing carbon as a main component with the diamond constituting the window material as a seed crystal.
る炭素分子及び/又は炭素結晶が、カーボンナノチュー
ブ中に窒素及び/または窒素化合物、リン及び/または
リン化合物やホウ素及び/またはホウ素化合物をその構
造中に含むものとすることにより、容易に半導体ダイヤ
モンドの形成を可能とすることを特徴とするダイヤモン
ド作製方法。4. The carbon molecule and / or carbon crystal, which is the main component of the powder material according to claim 3, is nitrogen and / or a nitrogen compound, phosphorus and / or a phosphorus compound, and boron and / or a boron compound in the carbon nanotube. The method for producing diamond is characterized in that by including in the structure thereof, a semiconductor diamond can be easily formed.
圧力発生用圧子を備えたダイヤモンド作製装置であっ
て、 前記圧力発生用圧子は、ダイヤモンドの原料となる粉体
に対して圧力勾配を有する圧力を加えるためにテーパー
形状を有しており、かつ前記圧力発生用圧子の先端部分
にはダイヤモンドの窓材を有しており、 前記ダイヤモンドの窓材には最大圧力が加わり、かつ前
記ダイヤモンドの窓材を通してダイヤモンドの原料とな
る粉体にレーザー光が照射される構成を有することを特
徴とするダイヤモンド作製装置。5. Inside a reaction vessel having a cylindrical outer wall,
A diamond manufacturing apparatus including a pressure generating indenter, wherein the pressure generating indenter has a taper shape for applying a pressure having a pressure gradient to a powder that is a raw material of diamond, and The tip of the pressure generating indenter has a diamond window material, maximum pressure is applied to the diamond window material, and laser light is radiated to the powder as the raw material of diamond through the diamond window material. A diamond manufacturing apparatus having the above-mentioned configuration.
る炭素分子及び/又は炭素結晶が、カーボンナノチュー
ブ中に窒素及び/または窒素化合物、リン及び/または
リン化合物やホウ素及び/またはホウ素化合物をその構
造中に含むものとすることにより、容易に半導体ダイヤ
モンドの形成を可能とすることを特徴とするダイヤモン
ド作製方法。6. The carbon molecule and / or carbon crystal, which is the main component of the powder material according to claim 5, is nitrogen and / or a nitrogen compound, phosphorus and / or a phosphorus compound, boron and / or a boron compound in the carbon nanotube. The method for producing diamond is characterized in that by including in the structure thereof, a semiconductor diamond can be easily formed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/024,948 US5360477A (en) | 1992-03-04 | 1993-03-02 | Method for forming diamond and apparatus for forming the same |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4-82701 | 1992-03-04 | ||
JP8270192 | 1992-03-04 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05305227A true JPH05305227A (en) | 1993-11-19 |
Family
ID=13781710
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4269605A Pending JPH05305227A (en) | 1992-03-04 | 1992-09-12 | Method and apparatus for producing diamond |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05305227A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116251536A (en) * | 2023-03-16 | 2023-06-13 | 吉林大学 | Iridium telluride powder material with orthogonal structure and preparation method thereof |
-
1992
- 1992-09-12 JP JP4269605A patent/JPH05305227A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116251536A (en) * | 2023-03-16 | 2023-06-13 | 吉林大学 | Iridium telluride powder material with orthogonal structure and preparation method thereof |
CN116251536B (en) * | 2023-03-16 | 2024-05-17 | 吉林大学 | Iridium telluride powder material with orthogonal structure and preparation method thereof |
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