JPH06182183A - ダイヤモンド単結晶の合成方法 - Google Patents
ダイヤモンド単結晶の合成方法Info
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- JPH06182183A JPH06182183A JP4341939A JP34193992A JPH06182183A JP H06182183 A JPH06182183 A JP H06182183A JP 4341939 A JP4341939 A JP 4341939A JP 34193992 A JP34193992 A JP 34193992A JP H06182183 A JPH06182183 A JP H06182183A
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Abstract
る無色透明で良質なダイヤモンド単結晶の新規な合成方
法を提供する。 【構成】 温度差法によるダイヤモンド単結晶合成にお
いて、溶媒金属に窒素ゲッターとしてTi,Zr,H
f,V,Nb,Taから選ばれる一種もしくは二種以上
の金属を添加し、かつ、前記溶媒金属と種結晶との間に
Al、Ga、In、Tl、Sn、Pbから選ばれる一種
もしくは二種以上からなる金属板を配置した状態でダイ
ヤモンドの合成を開始することを特徴とする。これによ
り、無色透明でインクルージョンの殆どない良質なIIa
型ダイヤモンド結晶を安価に且つ安定に合成できるの
で、装飾用途や光学部品に供し得る合成ダイヤモンドの
有利な製法である。
Description
に用いられる無色で透明なダイヤモンド単結晶の合成方
法に関するものである。
は、主に南アフリカ、ロシアより産出されるものの中か
ら、無色透明で内部欠陥の少ないものを選別して用いら
れている。天然装飾用ダイヤモンドは宝石の中でも最も
販売量が多い。また、ダイヤモンドを用いた光学部品と
して、レーザー窓やIRアンビルセルなどがあるが、い
ずれも天然原石の中から赤外領域に光の吸収のない透明
なダイヤモンド(IIa型とよばれる)が選ばれて用いら
れている。しかし、透明無色な原石の産出は極めて少な
く、安定供給や価格に問題がある。一方、人工合成によ
るダイヤモンドは通常、超高圧高温下で合成する際に溶
媒中の窒素が結晶格子内に取り込まれるために黄色く着
色してしまうが、溶媒中に窒素ゲッターを添加すること
で無色透明のダイヤモンドを得ることができる。この窒
素ゲッターとしては、たとえば、The Journal of Physi
cal Chemistry, vol.75, No.12 (1971) p1838 に示され
ているように、Alがよく知られている。具体的には、
米国特許第4034066号明細書には、Fe溶媒にA
lを3〜5重量%添加することにより宝石級の無色透明
なダイヤモンド単結晶が得られると記載されている。A
l以外の窒素ゲッターを用いた例として、たとえば無機
材質研究所研究報告書第39号、p16〜にTiやZr
を溶媒金属に添加することで結晶中の窒素が除去された
という報告がある。
の合成ダイヤモンドは合成コストが天然ダイヤモンドよ
りはるかに高くなるため工業生産は行われていない。こ
の理由は、合成には高価で特殊な装置が必要である上
に、Alなどを窒素ゲッターとして添加した場合、その
添加量の増加に従って溶媒が結晶中に取り込まれ(以下
インクルージョンと呼ぶ)て、不良結晶となることが多
くなるため、良質な結晶とするためには成長速度を大幅
に下げる必要があるからである。とくにTiやZrを窒
素ゲッターとして用いた場合は合成中に溶媒中に生成し
たTiCやZrCなどの炭化物が原因でより多くのイン
クルージョンが結晶中に取り込まれるようになる。
窒素ゲッターとしてAlを用い、溶媒金属に均一混合し
た場合、無色透明なダイヤモンド結晶を合成するために
は、その添加量は溶媒に対し少なくとも4重量%(約1
2体積%)必要であるが、この場合インクルージョンの
巻き込みなしに結晶成長させるためには成長速度を1m
g/hr以下にする必要があった。この成長速度では、
たとえば1カラット(200mg)の結晶を合成するに
は200時間以上の合成時間を要し、製造コストは膨大
なものとなる。また、Ti、Zrなど、Alより窒素と
の反応性の高い物質を窒素ゲッターとして溶媒に均一添
加した場合、添加量は1重量%でも無色透明な結晶とな
る。しかし、これらは炭化物を形成しやすく、成長速度
を大幅に低下させたとしてもTiCやZrCなどの炭化
物の影響で、良質な結晶は殆ど得られない。本発明はか
かる問題点を解決し、無色透明でインクルージョのほと
んどない結晶を、安価にしかも安定して合成できる方法
を提供し、人工合成ダイヤモンドの装飾用途又は光学部
品用途への使用を可能とするものである。
rを窒素ゲッターとして溶媒に添加して成長させたダイ
ヤモンド結晶を観察したところ、インクルージョンのほ
とんどは種結晶を起点として連続して結晶中に取り込ま
れていることがわかった。さらに、詳細に調べると成長
初期に種結晶面上に生成したTiCやZrCなどの炭化
物がインクルージョンの起点となっていることがわかっ
た。そこで本発明者らは、成長初期に種面上に炭化物が
取り込まれるのを防ぐため溶媒と種結晶の間にあらかじ
めAl、Ga、In、Tl、Sn、Pbなど、それ自体
は炭化物を作らず、加えて、粘度の低い金属を板状で配
置したところ、種面上にほとんど炭化物が取り込まれな
いことを見いだした。この理由は、溶媒中のTiやZr
が直接種結晶と接しないため、種面上にはTiCやZr
Cなどの炭化物が生成しないこと、また、合成初期に種
結晶近傍で生成したTiCやZrCなどの炭化物は、あ
らかじめ種面上に配置されていたAl、Ga、In、T
l、Sn、Pbなどの低粘性の物質により、溶媒上部に
拡散されていることにある。このように、溶媒と種結晶
の間にあらかじめAl、Ga、In、Tl、Sn、Pb
などの金属を配置することで、炭化物を起点としたイン
クルージョンの巻き込みを防ぐことができ、その結果、
従来の2倍以上の早い成長速度でも、良質なIIa結晶が
得られることを確認した。
合成において、溶媒金属に、窒素ゲッターとしてTi,
Zr,Hf,V,Nb,Taから選ばれる一種もしくは
二種以上の金属を添加し、さらに前記溶媒金属と種結晶
との間にAl、Ga、In、Tl、Sn、Pbから選ば
れる一種もしくは二種以上からなる金属板を配置した状
態でダイヤモンドの合成を開始することを特徴とするも
のである。本発明において溶媒金属と種結晶との間に配
置される金属板の厚みは0.01mm以上、0.3mm
以下であることが好ましい。また、窒素ゲッターとして
用いられるTi,Zr,Hf,V,Nb,Taから選ば
れる一種もしくは二種以上の金属の含有量は、溶媒金属
に対して0.2〜10重量%であることが好ましい。窒
素ゲッターとしてのこれら金属は、他の金属、例えば、
Al、Cu、Si、Sn等との合金の形で添加すること
もできる。また、溶媒金属は、Fe,Co,Ni,M
n,Crの中から選ばれる一種もしくは二種以上からな
り、且つ0.1〜6.0重量%の炭素を含むことが好ま
しい。
ンド結晶合成用の試料室構成である。溶媒金属2には窒
素ゲッターとしてTi,Zr,Hf,V,Nb,Taか
ら選ばれる金属が添加され、この溶媒金属と種結晶4の
間にAl、Ga、In、Tl、Sn、Pbから選ばれる
金属板3が配置される。1は炭素源、5は絶縁体、6は
黒鉛ヒーター、7は圧力媒体である。この金属板3の厚
みは0.01mm未満では効果は不十分で、0.3mm
をこえるとAl、Ga、In、Tl、Sn、Pbなどの
元素の影響で溶媒中の炭素の溶解度が低下するなどの理
由でインクルージョンがダイヤモンド結晶中に取り込ま
れやすくなる。また溶媒2に窒素ゲッターとして添加す
るTi,Zr,Hf,V,Nb,Taの添加量として
は、0.2重量%未満では窒素は十分に除去されず、合
成されたダイヤモンドは黄色みを帯びた結晶となる。一
方、10重量%をこえると多結晶化や自然核発生が多く
なり、良質なダイヤモンド結晶が得られなくなる。
i,Mn,Crの中から選ばれる一種もしくは二種以上
からなる金属であり、種結晶溶解防止のため0.1〜
6.0重量%の炭素をあらかじめ添加しておくのが好ま
しい。炭素添加量が0.1重量%未満もしくは炭素を含
まない溶媒金属を用いた場合、種結晶上にPtなどの種
結晶溶解防止材を配置する必要があるが、このような種
結晶溶解防止材を配置することは、多結晶化やインクル
ージョンの巻き込みの原因となり好ましくない。また、
炭素添加量が6重量%をこえると、自然核発生がおこり
やすくなり、種結晶以外の部所より結晶成長するため結
晶同士が干渉し、良質な結晶が得られなくなる。
など、窒素との反応性の高い元素を窒素ゲッターとする
ため、少量の添加でほとんど窒素を含まない無色透明な
IIa型のダイヤモンド結晶が得られ、また、種面上の炭
化物の生成を防止するために、また、合成中に種結晶付
近で形成した炭化物を溶媒上部に拡散させるために、溶
媒と種結晶の間に、Al、Ga、In、Tl、Sn、P
bなどの金属板をあらかじめ配置した状態で合成を開始
する構成になっているため、ダイヤモンド結晶中へのイ
ンクルージョンの混入を大幅に抑えることができる。そ
の結果、従来よりかなり速い成長速度でも良質なIIa型
ダイヤモンド結晶が得られるようになる。本発明に用い
る種結晶、炭素源等はこの種の技術分野で公知のものを
用いることができる。また、温度差法による合成の条件
等は適宜選択することができる。
する。実施例1 溶媒の原料として粒径50〜100ミクロンの高純度F
e粉末、Co粉末、グラファイト粉末を用い、 Fe:Co:C=60:40:4.5(重量比) となるように配合した。これに、さらに窒素ゲッターと
して平均粒径50ミクロンのTi粉末を1.5重量%添
加し、十分に混合した。この混合粉末を型押し成形し、
脱ガス、焼成したもの(直径20mm、厚み10mm)
を溶媒とした。図1に示す試料室構成で炭素源1にはダ
イヤモンドの粉末、種結晶4には直径500ミクロンの
ダイヤモンド結晶3個を用いた。種結晶4と溶媒2の間
に配置する金属板3としては厚み0.05mmのAl板
を用いた。そして、炭素源1と種結晶4部に約30℃の
温度差がつくように加熱ヒーター6内にセットした。こ
れを超高圧発生装置を用いて、圧力5.5GPa、温度
1300℃で70時間保持し、ダイヤモンドの合成を行
った。その結果0.7〜0.9カラットの無色透明な、
インクルージョンのほとんどない良質なIIa型のダイヤ
モンド結晶が得られた。ESRにより、結晶中の窒素濃
度を測定するといずれも0.1ppm以下であった。磁
気天秤によりインクルージョン量を測定するといずれも
0.3重量%以下であった。
mmのAl板を用いた他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど
同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。実施例3 種結晶4と溶媒2の間に配置する金属板3に厚み0.0
5mmのSn板を用いた他は実施例1と同様にしてダイ
ヤモンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとん
ど同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。実施例4 種結晶4と溶媒2の間に配置する金属板3に厚み0.2
mmのSn板を用いた他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど
同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。
mmのIn板を用いた他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど
同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。実施例6 種結晶4と溶媒2の間に配置する金属板3に厚み0.1
mmのPb板を用いた他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど
同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。実施例7 溶媒2に添加する窒素ゲッターに粒径44ミクロン以下
(平均10ミクロン)のZr粉末を溶媒に対し3重量%
添加した他は実施例1と同様にしてダイヤモンドの合成
を行った。その結果、実施例1とほとんど同じ良質なII
a型ダイヤモンド結晶が得られた。
(平均10ミクロン)のAlTi合金粉末を溶媒に対し
3重量%添加した他は実施例1と同様にしてダイヤモン
ドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど同じ
良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。実施例9 溶媒2に添加する窒素ゲッターとしてAlTi合金粉末
の代わりに、CuTi、SnTi又はSi5 Ti6 合金
粉末を用いた他は実施例8と同様にしてダイヤモンドの
合成を行った。その結果、いずれの場合も、実施例1と
ほとんど同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られ
た。実施例10 溶媒の原料として粒径50〜100ミクロンの高純度F
e粉末、Ni粉末、Co粉末、グラファイト粉末を用
い、 Fe:Ni:Co:C=60:30:10:4.2(重
量比) となるように配合した他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど
同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。
e粉末、Ni粉末、Mn粉末、グラファイト粉末を用
い、 Fe:Ni:Mn:C=60:30:10:4(重量
比) となるように配合した他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど
同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。 実施例12 溶媒の原料として粒径50〜100ミクロンの高純度F
e粉末、Ni粉末、グラファイト粉末を用い、 Fe:Ni:C=70:30:3.5(重量比) となるように配合した他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど
同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。 実施例13 溶媒の原料として粒径50〜100ミクロンの高純度C
o粉末、グラファイト粉末を用い、 Co:C=100:4.7(重量比) となるように配合した他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど
同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。
i粉末、グラファイト粉末を用い、 Ni:C=100:4.2(重量比) となるように配合した他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、実施例1とほとんど
同じ良質なIIa型ダイヤモンド結晶が得られた。
と同様にダイヤモンドの合成を試みた。窒素含有量の少
ない(約0.1ppm)の結晶が得られたが、インクル
ージョンの巻き込み量は約1.5重量%と多く、良質な
結晶は得られなかった。実施例15 溶媒と種結晶の間に配置するAl板の厚みを0.5mm
とした他は実施例1と同様にダイヤモンドの合成を試み
た。窒素含有量の少ない(約0.1ppm)の結晶が得
られたが、インクルージョンの巻き込み量は約1.0重
量%と多かった。実施例16 窒素ゲッターとして溶媒に添加するTiの量を15重量
%とした他は実施例1と同様にダイヤモンドの合成を試
みた。種結晶から成長した結晶は多結晶化していた。
e粉末、Ni粉末、Co粉末を用い、 Fe:Ni:Co=60:30:10(重量比) となるように配合し、グラファイトを添加しなかった他
は実施例1と同様にしてダイヤモンドの合成を行った。
その結果、種結晶は溶媒中に溶解してしまい、ダイヤモ
ンドの成長は不充分であった。実施例18 溶媒の原料として粒径50〜100ミクロンの高純度F
e粉末、Ni粉末、Co粉末、グラファイト粉末を用
い、 Fe:Ni:Co:C=60:30:10:7(重量
比) となるように配合した他は実施例1と同様にしてダイヤ
モンドの合成を行った。その結果、種結晶以外の所より
ダイヤモンドが多数自然核発生し、このため結晶同士が
干渉し、良質なダイヤモンド結晶はほとんど得られなか
った。
無色透明でインクルージョンのほとんどないダイヤモン
ド結晶を、安価に安定して合成できる。本方法によって
合成ダイヤモンドを装飾用途、光学部品などに利用する
ことが可能なものとなる。
の試料室構成を示す概略断面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 温度差法によるダイヤモンド結晶合成に
おいて、溶媒金属に窒素ゲッターとしてTi,Zr,H
f,V,Nb,Taから選ばれる一種もしくは二種以上
の金属を添加し、かつ、前記溶媒金属と種結晶との間に
Al、Ga、In、Tl、Sn、Pbから選ばれる一種
もしくは二種以上からなる金属板を配置した状態でダイ
ヤモンドの合成を開始することを特徴とするダイヤモン
ド単結晶の合成方法。 - 【請求項2】 前記の溶媒金属と種結晶との間に配置さ
れる金属板の厚みは0.01mm以上、0.3mm以下
であることを特徴とする請求項1記載のダイヤモンド単
結晶の合成方法。 - 【請求項3】 前記窒素ゲッターとして用いられるT
i,Zr,Hf,V,Nb,Taから選ばれる一種もし
くは二種以上の金属の含有量が、溶媒金属に対して0.
2〜10重量%であることを特徴とする請求項1または
2記載のダイヤモンド単結晶の合成方法。 - 【請求項4】 前記溶媒金属は、Fe,Co,Ni,M
n,Crの中から選ばれる一種もしくは二種以上からな
り、且つ0.1〜6.0重量%の炭素を含むことを特徴
とする請求項1または2または3記載のダイヤモンド単
結晶の合成方法。
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JP34193992A JP3259383B2 (ja) | 1992-12-22 | 1992-12-22 | ダイヤモンド単結晶の合成方法 |
KR1019930013401A KR940014144A (ko) | 1992-01-22 | 1993-07-16 | 다이아몬드 단결정의 제조방법 |
EP93306785A EP0603995A1 (en) | 1992-12-22 | 1993-08-26 | Process for the synthesising diamond single crystals |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Family
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JP34193992A Expired - Fee Related JP3259383B2 (ja) | 1992-01-22 | 1992-12-22 | ダイヤモンド単結晶の合成方法 |
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