JPH1081590A - 炭素同位体を適当な原子数比率で含むダイヤモンド及びその製造方法 - Google Patents
炭素同位体を適当な原子数比率で含むダイヤモンド及びその製造方法Info
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- JPH1081590A JPH1081590A JP23522796A JP23522796A JPH1081590A JP H1081590 A JPH1081590 A JP H1081590A JP 23522796 A JP23522796 A JP 23522796A JP 23522796 A JP23522796 A JP 23522796A JP H1081590 A JPH1081590 A JP H1081590A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 12Ｃ同位体比率を特定の範囲に限定された新
規な光学的特性を有するダイヤモンドを提供することを
目的とするものである。 【解決手段】 炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含み、窒素及び／又はほう素不純物の含
有量が５ｐｐｍ以下であり、かつ波長４μｍから６μｍ
の範囲で、最大吸収率が９０％以下であることを特徴と
するダイヤモンド。
規な光学的特性を有するダイヤモンドを提供することを
目的とするものである。 【解決手段】 炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含み、窒素及び／又はほう素不純物の含
有量が５ｐｐｍ以下であり、かつ波長４μｍから６μｍ
の範囲で、最大吸収率が９０％以下であることを特徴と
するダイヤモンド。
Description
【０００１】
【従来の技術】ダイヤモンドは紫外から赤外までの広い
波長領域に対して吸収が少ないため、窓材などの光学部
品に利用されている。また、ダイヤモンドは化学的にも
安定性が高いため、耐環境材料としても知られている。
このため、条件の厳しい極限状態における光学用部品と
して、最近利用が進みつつある。ただ、ダイヤモンドで
も、幾つかの吸収帯が知られている。例えば、通常Ib型
と呼ばれる黄色い工業用ダイヤモンドでは、窒素が含ま
れているために、窒素と炭素の相互作用による光吸収帯
が波長で８μｍ付近に存在する。一方、IIa 型と呼ばれ
る高純度ダイヤモンドには窒素が含まれていないため、
窒素に関連した光吸収はない。このため、光学部品とし
ては、IIa 型を用いることが好ましい。しかし、IIa 型
でもダイヤモンドのフォノンによる吸収が５μｍ付近に
あり、その吸収率は最大で９５％近くにも達する。この
ため、特にこの５μｍ付近の波長の光を透過させる窓と
しては非常に使いにくいという問題がある。また、一般
にIIa 型は熱伝導率が非常に高い。これは窒素などの不
純物による散乱がないためであり、IIa 型の特徴の一つ
である。このため、IIa 型ダイヤモンドは放熱板など、
高熱伝導率が要求される用途に用いられており、更に熱
伝導率を高くすることが試みられている。例えば特開平
４−１０８５３２号公報によれば、12Ｃまたは13Ｃの純
度９９．２％以上のダイヤモンドを高温高圧で合成する
方法が報告されている。しかしながら、逆にこの高熱伝
導性のために、レーザー等の熱による加工が難しいとい
う問題があった。
波長領域に対して吸収が少ないため、窓材などの光学部
品に利用されている。また、ダイヤモンドは化学的にも
安定性が高いため、耐環境材料としても知られている。
このため、条件の厳しい極限状態における光学用部品と
して、最近利用が進みつつある。ただ、ダイヤモンドで
も、幾つかの吸収帯が知られている。例えば、通常Ib型
と呼ばれる黄色い工業用ダイヤモンドでは、窒素が含ま
れているために、窒素と炭素の相互作用による光吸収帯
が波長で８μｍ付近に存在する。一方、IIa 型と呼ばれ
る高純度ダイヤモンドには窒素が含まれていないため、
窒素に関連した光吸収はない。このため、光学部品とし
ては、IIa 型を用いることが好ましい。しかし、IIa 型
でもダイヤモンドのフォノンによる吸収が５μｍ付近に
あり、その吸収率は最大で９５％近くにも達する。この
ため、特にこの５μｍ付近の波長の光を透過させる窓と
しては非常に使いにくいという問題がある。また、一般
にIIa 型は熱伝導率が非常に高い。これは窒素などの不
純物による散乱がないためであり、IIa 型の特徴の一つ
である。このため、IIa 型ダイヤモンドは放熱板など、
高熱伝導率が要求される用途に用いられており、更に熱
伝導率を高くすることが試みられている。例えば特開平
４−１０８５３２号公報によれば、12Ｃまたは13Ｃの純
度９９．２％以上のダイヤモンドを高温高圧で合成する
方法が報告されている。しかしながら、逆にこの高熱伝
導性のために、レーザー等の熱による加工が難しいとい
う問題があった。
【０００２】ダイヤモンドを構成する炭素には、幾つか
の同位体が知られている。そのなかで安定な核種は12Ｃ
および13Ｃである。自然に存在する原子数比率（12Ｃが
約９８．９％）以外の同位体比率によるダイヤモンド合
成に関しては幾つかの先行例がある。例えば、特開平４
−１０８５３２号公報および特開平４−２７０１９３号
公報によれば、12Ｃまたは13Ｃの純度９９．２％以上の
ダイヤモンドをそれぞれ高温高圧法又は気相法で合成す
る方法が報告されている。また、特開平５−１１７０８
５号公報によれば、ダイヤモンドや炭化珪素などの上に
12Ｃからなるダイヤモンド層を気相から成長させること
により、優れた熱伝導度を有する複合材料を造る方法が
報告されている。ただし、いずれも炭素の純度が自然に
存在する原子数比率よりも高い。
の同位体が知られている。そのなかで安定な核種は12Ｃ
および13Ｃである。自然に存在する原子数比率（12Ｃが
約９８．９％）以外の同位体比率によるダイヤモンド合
成に関しては幾つかの先行例がある。例えば、特開平４
−１０８５３２号公報および特開平４−２７０１９３号
公報によれば、12Ｃまたは13Ｃの純度９９．２％以上の
ダイヤモンドをそれぞれ高温高圧法又は気相法で合成す
る方法が報告されている。また、特開平５−１１７０８
５号公報によれば、ダイヤモンドや炭化珪素などの上に
12Ｃからなるダイヤモンド層を気相から成長させること
により、優れた熱伝導度を有する複合材料を造る方法が
報告されている。ただし、いずれも炭素の純度が自然に
存在する原子数比率よりも高い。
【０００３】また13Ｃを少なくとも約１重量％含有する
ダイヤモンドのコアと、このダイヤモンドコア中に含ま
れる13Ｃより少なくとも１重量％少ない13Ｃを含有する
該コア上のエピタキシャルダイヤモンドコーティングと
からなるダイヤモンド製品が提案され、ここにはダイヤ
モンドの格子定数は同位体組成の関数であることが開示
されている（特開平５−１９４０９０号公報）。更に13
Ｃが濃縮されたダイヤモンドほど（即ち、好適には約５
重量％以上の13Ｃ含有量、更に好適には約１０重量％以
上の13Ｃ含有量）、格子定数が減少し、硬度が増加し改
良されたダイヤモンドアンビルが製造されることが提案
されている（特開平５−２００２７０号公報）。しか
し、これらの提案では、同位体の純度以上の認識はされ
ておらず、他の不純度物との関係について明らかにされ
た報告はない。
ダイヤモンドのコアと、このダイヤモンドコア中に含ま
れる13Ｃより少なくとも１重量％少ない13Ｃを含有する
該コア上のエピタキシャルダイヤモンドコーティングと
からなるダイヤモンド製品が提案され、ここにはダイヤ
モンドの格子定数は同位体組成の関数であることが開示
されている（特開平５−１９４０９０号公報）。更に13
Ｃが濃縮されたダイヤモンドほど（即ち、好適には約５
重量％以上の13Ｃ含有量、更に好適には約１０重量％以
上の13Ｃ含有量）、格子定数が減少し、硬度が増加し改
良されたダイヤモンドアンビルが製造されることが提案
されている（特開平５−２００２７０号公報）。しか
し、これらの提案では、同位体の純度以上の認識はされ
ておらず、他の不純度物との関係について明らかにされ
た報告はない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はダイヤモンド
の特性が炭素の同位体比率に応じて変化することに着目
し、自然界に存在する同位体比率よりも同位体純度の低
いダイヤモンドについては、その赤外領域（５μｍ域）
での炭素による最大吸収率が９０％と通常の９５％より
も下がることを見出し本発明に到達したものである。す
なわち、本発明は、上記新規な知見に基づき、12Ｃ同位
体比率を特定の範囲に限定された新規な光学的特性を有
するダイヤモンドを提供することを目的とするものであ
る。
の特性が炭素の同位体比率に応じて変化することに着目
し、自然界に存在する同位体比率よりも同位体純度の低
いダイヤモンドについては、その赤外領域（５μｍ域）
での炭素による最大吸収率が９０％と通常の９５％より
も下がることを見出し本発明に到達したものである。す
なわち、本発明は、上記新規な知見に基づき、12Ｃ同位
体比率を特定の範囲に限定された新規な光学的特性を有
するダイヤモンドを提供することを目的とするものであ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】以下に本発明によって特
定される事項を要約して示す。 （１）炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含み、窒素及び／又はほう素不純物の含
有量が５ｐｐｍ以下であり、かつ波長４μｍから６μｍ
の範囲で、最大吸収率が９０％以下であることを特徴と
するダイヤモンド。 （２）目的とする組成を有する炭素原料を用い、温度差
法によりダイヤモンドの熱力学的に安定な温度圧力領域
でダイヤモンドを合成することを特徴とする上記（１）
に記載のダイヤモンドの製造方法。 （３）炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含む炭素材料を２０００℃以上３０００
℃以下で加熱処理した後、膜成長法により直径５００μ
ｍ以下のダイヤモンド粒子を製造し、これを原料として
用いることを特徴とする上記（２）に記載のダイヤモン
ドの製造方法。
定される事項を要約して示す。 （１）炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含み、窒素及び／又はほう素不純物の含
有量が５ｐｐｍ以下であり、かつ波長４μｍから６μｍ
の範囲で、最大吸収率が９０％以下であることを特徴と
するダイヤモンド。 （２）目的とする組成を有する炭素原料を用い、温度差
法によりダイヤモンドの熱力学的に安定な温度圧力領域
でダイヤモンドを合成することを特徴とする上記（１）
に記載のダイヤモンドの製造方法。 （３）炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含む炭素材料を２０００℃以上３０００
℃以下で加熱処理した後、膜成長法により直径５００μ
ｍ以下のダイヤモンド粒子を製造し、これを原料として
用いることを特徴とする上記（２）に記載のダイヤモン
ドの製造方法。
【０００６】（４）ダイヤモンド合成の温度が１０００
℃以上１８００℃以下であり、かつ圧力が４ＧＰａ以上
８ＧＰａ以下であることを特徴とする上記（２）又は
（３）に記載のダイヤモンドの製造方法。 （５）窒素ゲッターとしてＴｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｒ及び
Ｈｆからなる群から選択される少なくとも一種類以上含
むことを特徴とする上記（２）〜（４）のいずれかに記
載のダイヤモンドの製造方法。 （６）炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含む炭素含有ガスを原料として、当該ガ
スの分解を伴う方法により合成することを特徴とする上
記（２）〜（５）のいずれかに記載のダイヤモンドの製
造方法。
℃以上１８００℃以下であり、かつ圧力が４ＧＰａ以上
８ＧＰａ以下であることを特徴とする上記（２）又は
（３）に記載のダイヤモンドの製造方法。 （５）窒素ゲッターとしてＴｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｒ及び
Ｈｆからなる群から選択される少なくとも一種類以上含
むことを特徴とする上記（２）〜（４）のいずれかに記
載のダイヤモンドの製造方法。 （６）炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含む炭素含有ガスを原料として、当該ガ
スの分解を伴う方法により合成することを特徴とする上
記（２）〜（５）のいずれかに記載のダイヤモンドの製
造方法。
【０００７】（７）ＣＨ4 、ＣＯ2 及びＣＯの中から選
ばれる少なくとも一種類を含む炭素含有ガスを利用する
ことを特徴とする上記（６）に記載のダイヤモンドの製
造方法。 （８）上記（１）に記載のダイヤモンドを用いた赤外線
透過光学部品 （９）上記（８）に記載の赤外線透過光学部品を用いた
測定装置。
ばれる少なくとも一種類を含む炭素含有ガスを利用する
ことを特徴とする上記（６）に記載のダイヤモンドの製
造方法。 （８）上記（１）に記載のダイヤモンドを用いた赤外線
透過光学部品 （９）上記（８）に記載の赤外線透過光学部品を用いた
測定装置。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明者らは、自然に存在する同
位体比率よりも純度の低いダイヤモンドを合成し、その
５μｍ域での炭素による最大吸収率が９０％と通常の９
５％よりも下がることを見出した。その混在比率は12Ｃ
が５％以上９５％以下で効果が見られる。５％未満では
混在させた効果が小さく、最大吸収率は通常のダイヤモ
ンドと同等となり、９５％を超えると９９．１％までは
天然品に近づき最大吸収率が増加する。ダイヤモンド
中、12Ｃ以外の炭素については、同位体10Ｃ、11Ｃ、13
Ｃ、14Ｃ、15Ｃなどが考えられるが、安定性などから、
実際上は13Ｃとなる。以下、12Ｃと13Ｃを混在させたダ
イヤモンドに特定する。自然に存在する同位体比率より
も低い炭素純度のダイヤモンドの５μｍ域での炭素によ
る最大吸収率が９５％よりも下がる原因については明ら
かではない。12Ｃおよび13Ｃで純度の高いダイヤモンド
では炭素による最大吸収率はほぼ同じである。ただし、
吸収率が最大となる波長が両者では異なり、その差は約
１００ｃｍ-1程度になる。12Ｃと13Ｃを混在させること
で、各々単独元素による最大吸収率か緩和されるのでは
ないかと考えられる。
位体比率よりも純度の低いダイヤモンドを合成し、その
５μｍ域での炭素による最大吸収率が９０％と通常の９
５％よりも下がることを見出した。その混在比率は12Ｃ
が５％以上９５％以下で効果が見られる。５％未満では
混在させた効果が小さく、最大吸収率は通常のダイヤモ
ンドと同等となり、９５％を超えると９９．１％までは
天然品に近づき最大吸収率が増加する。ダイヤモンド
中、12Ｃ以外の炭素については、同位体10Ｃ、11Ｃ、13
Ｃ、14Ｃ、15Ｃなどが考えられるが、安定性などから、
実際上は13Ｃとなる。以下、12Ｃと13Ｃを混在させたダ
イヤモンドに特定する。自然に存在する同位体比率より
も低い炭素純度のダイヤモンドの５μｍ域での炭素によ
る最大吸収率が９５％よりも下がる原因については明ら
かではない。12Ｃおよび13Ｃで純度の高いダイヤモンド
では炭素による最大吸収率はほぼ同じである。ただし、
吸収率が最大となる波長が両者では異なり、その差は約
１００ｃｍ-1程度になる。12Ｃと13Ｃを混在させること
で、各々単独元素による最大吸収率か緩和されるのでは
ないかと考えられる。
【０００９】一般にダイヤモンドに含まれる不純物には
窒素やほう素が知られており、これら不純物があると、
不純物同士あるいは不純物と炭素原子の相互作用による
吸収が現れる。このため不純物は出来るだけ少ない方が
よい。窒素やほう素といった不純物が夫々５ｐｐｍ以
下、好ましくは１ｐｐｍ以下であれば、特に上記特定さ
れた同位体純度との組合せにおいて赤外領域での最大吸
収率を効率的に９０％以下とすることができる。また結
晶中の種々の欠陥も光の透過率が小さくなることが知ら
れている。これは欠陥により光が散乱されるためであ
る。このため、ダイヤモンドが単結晶であることが好ま
しい。しかし、結晶面内で配向性が良く、散乱の効果が
十分小さければ、多結晶体でもかまわない。得られたダ
イヤモンドの用途としては、分光結晶他、幾つか挙げら
れる。中でも、赤外線帯における最大吸収率が低下する
ことから、特に赤外透過窓として用いることができ、ま
たこの赤外透過窓を用いた測定装置としても用いられ
る。具体的にはフーリエ変換赤外吸収スペクトル測定装
置や赤外線レーザの窓材が挙げられる。
窒素やほう素が知られており、これら不純物があると、
不純物同士あるいは不純物と炭素原子の相互作用による
吸収が現れる。このため不純物は出来るだけ少ない方が
よい。窒素やほう素といった不純物が夫々５ｐｐｍ以
下、好ましくは１ｐｐｍ以下であれば、特に上記特定さ
れた同位体純度との組合せにおいて赤外領域での最大吸
収率を効率的に９０％以下とすることができる。また結
晶中の種々の欠陥も光の透過率が小さくなることが知ら
れている。これは欠陥により光が散乱されるためであ
る。このため、ダイヤモンドが単結晶であることが好ま
しい。しかし、結晶面内で配向性が良く、散乱の効果が
十分小さければ、多結晶体でもかまわない。得られたダ
イヤモンドの用途としては、分光結晶他、幾つか挙げら
れる。中でも、赤外線帯における最大吸収率が低下する
ことから、特に赤外透過窓として用いることができ、ま
たこの赤外透過窓を用いた測定装置としても用いられ
る。具体的にはフーリエ変換赤外吸収スペクトル測定装
置や赤外線レーザの窓材が挙げられる。
【００１０】このダイヤモンドを実際に合成するために
は、幾つかの方法が考えられるが、特に以下に示すよう
な手段を用いることが好ましい。１．熱力学的にダイヤモンドが安定な温度圧力領域での
合成 炭素と、合成に必要な溶媒から、熱力学的にダイヤモン
ドが安定となる温度圧力領域において合成する。種々の
原子比率の12Ｃおよび13Ｃを原料とする場合、通常黒鉛
または無定型炭素、或いはそれらの混合物が用いられ
る。これらの炭素は、通常吸着分子などの不純物を多く
含む。これらの不純物はダイヤモンドの合成を妨げるこ
とが多い。また黒鉛や無定型炭素は合成初期に極微細な
ダイヤモンドに変換されるが、そのとき体積収縮を起こ
す。このため反応容器中で圧力の低下を生じ、合成中に
ダイヤモンドが安定に合成できる圧力領域から外れてし
まうことがある。上記問題を避けるために、特に以下の
方法を採用することが好ましい。すなわち、原料の12Ｃ
および13Ｃを共に２０００℃以上３０００℃以下で加熱
処理し、不純物を除去する。その後、膜成長法と呼ばれ
る方法で炭素を一旦ダイヤモンドの微粉末に変換する。
この変換されたダイヤモンドを新たに炭素源としてダイ
ヤモンドを合成する。これらの方法を用いることによ
り、再現性良くダイヤモンドを合成することが出来る。
この場合、０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５
を満たす所定の配合割合に混合した原料、例えば、12Ｃ
／13Ｃ＝５：９５（12Ｃ比率０．０５），５０：５０（
12Ｃ比率０．５０），９５：５（12Ｃ比率０．９５） 合成に必要な温度は１０００℃以上１８００℃以下であ
る。１０００℃未満ではダイヤモンドが安定であって
も、析出速度が遅すぎ、実用的ではない。また１８００
℃を越えると溶媒や合成部材の流動が大きくなり、高圧
を長時間保持するのが難しくなる上、圧力を発生する装
置が非常に大がかりとなり、コストの面で実用的ではな
い。圧力に関しては、温度や原料の炭素の状態にもよる
が、４ＧＰａ以上８ＧＰａ以下であることが好ましい。
４ＧＰａ未満では析出速度が遅すぎ、実用的ではない。
また８ＧＰａを越える高圧を長時間安定に発生する装置
は非常に大がかりとなり、コストの面で実用的ではな
い。
は、幾つかの方法が考えられるが、特に以下に示すよう
な手段を用いることが好ましい。１．熱力学的にダイヤモンドが安定な温度圧力領域での
合成 炭素と、合成に必要な溶媒から、熱力学的にダイヤモン
ドが安定となる温度圧力領域において合成する。種々の
原子比率の12Ｃおよび13Ｃを原料とする場合、通常黒鉛
または無定型炭素、或いはそれらの混合物が用いられ
る。これらの炭素は、通常吸着分子などの不純物を多く
含む。これらの不純物はダイヤモンドの合成を妨げるこ
とが多い。また黒鉛や無定型炭素は合成初期に極微細な
ダイヤモンドに変換されるが、そのとき体積収縮を起こ
す。このため反応容器中で圧力の低下を生じ、合成中に
ダイヤモンドが安定に合成できる圧力領域から外れてし
まうことがある。上記問題を避けるために、特に以下の
方法を採用することが好ましい。すなわち、原料の12Ｃ
および13Ｃを共に２０００℃以上３０００℃以下で加熱
処理し、不純物を除去する。その後、膜成長法と呼ばれ
る方法で炭素を一旦ダイヤモンドの微粉末に変換する。
この変換されたダイヤモンドを新たに炭素源としてダイ
ヤモンドを合成する。これらの方法を用いることによ
り、再現性良くダイヤモンドを合成することが出来る。
この場合、０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５
を満たす所定の配合割合に混合した原料、例えば、12Ｃ
／13Ｃ＝５：９５（12Ｃ比率０．０５），５０：５０（
12Ｃ比率０．５０），９５：５（12Ｃ比率０．９５） 合成に必要な温度は１０００℃以上１８００℃以下であ
る。１０００℃未満ではダイヤモンドが安定であって
も、析出速度が遅すぎ、実用的ではない。また１８００
℃を越えると溶媒や合成部材の流動が大きくなり、高圧
を長時間保持するのが難しくなる上、圧力を発生する装
置が非常に大がかりとなり、コストの面で実用的ではな
い。圧力に関しては、温度や原料の炭素の状態にもよる
が、４ＧＰａ以上８ＧＰａ以下であることが好ましい。
４ＧＰａ未満では析出速度が遅すぎ、実用的ではない。
また８ＧＰａを越える高圧を長時間安定に発生する装置
は非常に大がかりとなり、コストの面で実用的ではな
い。
【００１１】光学特性に影響を及ぼす窒素を除去するに
は、窒素のゲッターと成りうる元素を溶媒中に添加す
る。具体的にはＴｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｈｆなどが挙
げられる。これらは単体で添加しても、また２種類以上
を組み合わせて用いてもよい。またほう素を除去するに
は、一般的には高純度化処理した黒鉛又は高純度炭素を
用いて作られたダイヤモンドを原料として用いることに
よって行う。こうして、窒素及び／又はほう素は５ｐｐ
ｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下とするが、特に１ｐｐ
ｍ以下とする。
は、窒素のゲッターと成りうる元素を溶媒中に添加す
る。具体的にはＴｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｈｆなどが挙
げられる。これらは単体で添加しても、また２種類以上
を組み合わせて用いてもよい。またほう素を除去するに
は、一般的には高純度化処理した黒鉛又は高純度炭素を
用いて作られたダイヤモンドを原料として用いることに
よって行う。こうして、窒素及び／又はほう素は５ｐｐ
ｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下とするが、特に１ｐｐ
ｍ以下とする。
【００１２】炭素含有ガスを分解して合成する方法 炭素を含有するガスを熱やプラズマを用いて分解するこ
とにより合成する。通常、水素ガスまたは水素を含有す
る分子を添加して用いることが多い。12Ｃと13Ｃの存在
比率は、合成時の炭素源となりうる炭素含有ガスの原子
数比率を変えることにより容易に得られる。上記炭素含
有ガスとしては、ＣＨ4 （メタン）またはＣＯ2 （二酸
化炭素）、ＣＯ（一酸化炭素）のうち、少なくとも一種
類を用いることが好ましい。これらの炭素含有ガスは安
価に得られ、かつ分解もしやすいため、ダイヤモンドの
合成材料としても最も適している。また、12Ｃと13Ｃの
原子比率を目的の比率にすることが非常に容易である。
とにより合成する。通常、水素ガスまたは水素を含有す
る分子を添加して用いることが多い。12Ｃと13Ｃの存在
比率は、合成時の炭素源となりうる炭素含有ガスの原子
数比率を変えることにより容易に得られる。上記炭素含
有ガスとしては、ＣＨ4 （メタン）またはＣＯ2 （二酸
化炭素）、ＣＯ（一酸化炭素）のうち、少なくとも一種
類を用いることが好ましい。これらの炭素含有ガスは安
価に得られ、かつ分解もしやすいため、ダイヤモンドの
合成材料としても最も適している。また、12Ｃと13Ｃの
原子比率を目的の比率にすることが非常に容易である。
【００１３】
【実施例】以下に本発明を下記実施例により、更に詳細
に説明するが、本発明を限定する意図するものではな
い。実施例１ 高圧合成法によりダイヤモンドを合成した。合成に用い
た試料室構成（温度差法）を図１に示す。炭素源１は以
下の方法で作製した。まず、原料は純度９９．９％の12
Ｃ粉と９９％の13Ｃ粉である。それぞれの原料から、12
Ｃ：13Ｃの原子数比率で （１）５：９５ （２）２０：８０ （３）５０：５０ （４）７５：２０ （５）９５：５ と成るようにそれぞれ混合し、十分攪拌した後に加圧成
形することにより、炭素源１を得た。溶媒金属２には、
高純度のＦｅおよびＣｏをＦｅ６０％、Ｃｏ４０％の原
子数比率で合金化し、種結晶溶解防止のため、炭素を約
４重量％添加した。なお、この時添加した炭素も、炭素
源と同じ原子数比率であらかじめ12Ｃと13Ｃを混合した
ものを用いた。さらに窒素ゲッターとしてＴｉを１．５
重量％添加した。種結晶３には膜成長法により合成され
た砥粒（５００μｍ以下）を用いた。炭素源１と種結晶
部３に約３０度の温度差が付くように、加熱用黒鉛ヒー
タ５内にセットし、超高圧発生装置を用いて５．５ＧＰ
ａ、温度１３００℃で７０時間保持して種結晶上にダイ
ヤモンドを育成した。その結果、約１カラットの無色透
明な、内包物のほとんどない良質なIIa 型ダイヤモンド
結晶が得られた。得られた試料の一部を質量分析するこ
とにより、ほぼ炭素源と同じ炭素同位体比率のダイヤモ
ンドが得られたことを確認した。ＳＩＭＳで結晶中のホ
ウ素量を、またＥＳＲで結晶中の窒素量を測定した結果
ともに、０．１ｐｐｍ以下であった。得られた結晶を厚
さ１ｍｍにスライス加工し、赤外吸収スペクトル及び紫
外可視吸収スペクトルを測定したところ、窒素及びホウ
素などの不純物による吸収は見られず、また炭素自体に
よる波長５μｍ付近の最大吸収率はいずれも９０％以下
であった。
に説明するが、本発明を限定する意図するものではな
い。実施例１ 高圧合成法によりダイヤモンドを合成した。合成に用い
た試料室構成（温度差法）を図１に示す。炭素源１は以
下の方法で作製した。まず、原料は純度９９．９％の12
Ｃ粉と９９％の13Ｃ粉である。それぞれの原料から、12
Ｃ：13Ｃの原子数比率で （１）５：９５ （２）２０：８０ （３）５０：５０ （４）７５：２０ （５）９５：５ と成るようにそれぞれ混合し、十分攪拌した後に加圧成
形することにより、炭素源１を得た。溶媒金属２には、
高純度のＦｅおよびＣｏをＦｅ６０％、Ｃｏ４０％の原
子数比率で合金化し、種結晶溶解防止のため、炭素を約
４重量％添加した。なお、この時添加した炭素も、炭素
源と同じ原子数比率であらかじめ12Ｃと13Ｃを混合した
ものを用いた。さらに窒素ゲッターとしてＴｉを１．５
重量％添加した。種結晶３には膜成長法により合成され
た砥粒（５００μｍ以下）を用いた。炭素源１と種結晶
部３に約３０度の温度差が付くように、加熱用黒鉛ヒー
タ５内にセットし、超高圧発生装置を用いて５．５ＧＰ
ａ、温度１３００℃で７０時間保持して種結晶上にダイ
ヤモンドを育成した。その結果、約１カラットの無色透
明な、内包物のほとんどない良質なIIa 型ダイヤモンド
結晶が得られた。得られた試料の一部を質量分析するこ
とにより、ほぼ炭素源と同じ炭素同位体比率のダイヤモ
ンドが得られたことを確認した。ＳＩＭＳで結晶中のホ
ウ素量を、またＥＳＲで結晶中の窒素量を測定した結果
ともに、０．１ｐｐｍ以下であった。得られた結晶を厚
さ１ｍｍにスライス加工し、赤外吸収スペクトル及び紫
外可視吸収スペクトルを測定したところ、窒素及びホウ
素などの不純物による吸収は見られず、また炭素自体に
よる波長５μｍ付近の最大吸収率はいずれも９０％以下
であった。
【００１４】実施例２ 炭素源１として、膜成長法により高圧合成した５００μ
ｍ以下のダイヤモンド粒子を用いた。このダイヤモンド
粒子は、以下のようにして合成した。まず、12Ｃと13Ｃ
を５０：５０の原子数比率で混ぜたものを、 （１）２０００℃ （２）２５００℃ （３）３０００℃ でそれぞれ真空中で１時間加熱処理を行った。続いてこ
の炭素をＦｅおよびＣｏ（Ｆｅ：Ｃｏ＝６０：４０重量
％）粉末を混合し、加圧成形した後に５．５ＧＰａ、１
３００℃で２０分保持することにより、ダイヤモンド粒
子を合成した。このダイヤモンド粒子を炭素源として、
他は実施例１と同じ方法により12Ｃ：13Ｃ＝５０：５０
のダイヤモンドを合成した。得られた試料の一部を質量
分析することにより、ほぼ炭素源と同じ炭素同位体比率
12Ｃ：13Ｃ＝５０：５０のダイヤモンドが得られたこと
を確認した。また得られた結晶を厚さ１ｍｍにスライス
加工し、赤外吸収スペクトルを測定したところ、窒素な
どの不純物による吸収は見られず、また炭素自体による
波長５μｍ付近の最大吸収率はやはり９０％以下であっ
た。窒素及びホウ素の含有量は実施例１と同様であっ
た。
ｍ以下のダイヤモンド粒子を用いた。このダイヤモンド
粒子は、以下のようにして合成した。まず、12Ｃと13Ｃ
を５０：５０の原子数比率で混ぜたものを、 （１）２０００℃ （２）２５００℃ （３）３０００℃ でそれぞれ真空中で１時間加熱処理を行った。続いてこ
の炭素をＦｅおよびＣｏ（Ｆｅ：Ｃｏ＝６０：４０重量
％）粉末を混合し、加圧成形した後に５．５ＧＰａ、１
３００℃で２０分保持することにより、ダイヤモンド粒
子を合成した。このダイヤモンド粒子を炭素源として、
他は実施例１と同じ方法により12Ｃ：13Ｃ＝５０：５０
のダイヤモンドを合成した。得られた試料の一部を質量
分析することにより、ほぼ炭素源と同じ炭素同位体比率
12Ｃ：13Ｃ＝５０：５０のダイヤモンドが得られたこと
を確認した。また得られた結晶を厚さ１ｍｍにスライス
加工し、赤外吸収スペクトルを測定したところ、窒素な
どの不純物による吸収は見られず、また炭素自体による
波長５μｍ付近の最大吸収率はやはり９０％以下であっ
た。窒素及びホウ素の含有量は実施例１と同様であっ
た。
【００１５】実施例３ 炭素源１として、膜成長法により高圧合成した５００μ
ｍ以下のダイヤモンド粒子と加熱処理を行った炭素粉の
混合物を用いた。最初のダイヤモンド粒子は実施例２と
同様の方法により、３０００℃で加熱処理した炭素粉を
用いて12Ｃ：13Ｃ＝８０：２０のものを得た。またこれ
とは別個に、12Ｃ：13Ｃ＝８０：２０の原子数比率で混
ぜた炭素粉を３０００℃で真空中で１時間加熱処理を行
った。続いてこの炭素粉とダイヤモンドを重量比で１：
２の原子数比率で混合し、加圧成形した。これを炭素源
として、実施例１と同様の方法でダイヤモンド合成を行
った。得られた試料の一部を質量分析することにより、
ほぼ炭素源と同じ炭素同位体原子数比率12Ｃ：13Ｃ＝５
０：５０のダイヤモンドが得られたことを確認した。ま
た得られた結晶を厚さ１ｍｍにスライス加工し、赤外吸
収スペクトルを測定したところ、窒素などの不純物によ
る吸収は見られず、また炭素自体による波長５μｍ付近
の最大吸収率はやはり９０％以下であった。窒素及びホ
ウ素の含有量は実施例１と同様であった。
ｍ以下のダイヤモンド粒子と加熱処理を行った炭素粉の
混合物を用いた。最初のダイヤモンド粒子は実施例２と
同様の方法により、３０００℃で加熱処理した炭素粉を
用いて12Ｃ：13Ｃ＝８０：２０のものを得た。またこれ
とは別個に、12Ｃ：13Ｃ＝８０：２０の原子数比率で混
ぜた炭素粉を３０００℃で真空中で１時間加熱処理を行
った。続いてこの炭素粉とダイヤモンドを重量比で１：
２の原子数比率で混合し、加圧成形した。これを炭素源
として、実施例１と同様の方法でダイヤモンド合成を行
った。得られた試料の一部を質量分析することにより、
ほぼ炭素源と同じ炭素同位体原子数比率12Ｃ：13Ｃ＝５
０：５０のダイヤモンドが得られたことを確認した。ま
た得られた結晶を厚さ１ｍｍにスライス加工し、赤外吸
収スペクトルを測定したところ、窒素などの不純物によ
る吸収は見られず、また炭素自体による波長５μｍ付近
の最大吸収率はやはり９０％以下であった。窒素及びホ
ウ素の含有量は実施例１と同様であった。
【００１６】実施例４ 気相合成方法によりダイヤモンドの合成を行った。炭素
源としては、ＣＨ4 を用い、合成に投入するガスの原子
数比率を流量で調整した。あらかじめ１０-3Ｔｏｒｒ以
下に真空引きした反応容器中に、１％12ＣＨ4 ／Ｈ2 と
１％13ＣＨ4 ／Ｈ2 ガスをそれぞれ１６０ｓｃｃｍ、４
０ｓｃｃｍ流した。ガスの分解手段としては熱フィラメ
ント法を用いた。フィラメントにはタングステン線を用
い、これをガス中で２２００℃まで加熱して用いた。基
板にはＳｉを用い、裏面を水冷する事で基板表面を９５
０℃に保った。この状態で１０時間保持したところ、厚
さ２０μｍ程度の膜がＳｉ上に形成された。得られたＳ
ｉ上のダイヤモンド膜を酸処理して、ダイヤモンドの自
立膜を得た。この膜がダイヤモンドで出来ていることを
ラマン分光法で確認すると共に、電子線回折などから、
この膜が多結晶体であることを確認した。得られた試料
は、その一部を質量分析することにより、12Ｃ：13Ｃ＝
８０：２０であることを確認した。また得られた結晶を
厚さ１ｍｍにスライス加工し、赤外吸収スペクトルを測
定したところ、窒素などの不純物による吸収は見られ
ず、また炭素自体による波長５μｍ付近の最大吸収率は
やはり９０％以下であった。窒素及びホウ素の含有量は
実施例１と同様であった。
源としては、ＣＨ4 を用い、合成に投入するガスの原子
数比率を流量で調整した。あらかじめ１０-3Ｔｏｒｒ以
下に真空引きした反応容器中に、１％12ＣＨ4 ／Ｈ2 と
１％13ＣＨ4 ／Ｈ2 ガスをそれぞれ１６０ｓｃｃｍ、４
０ｓｃｃｍ流した。ガスの分解手段としては熱フィラメ
ント法を用いた。フィラメントにはタングステン線を用
い、これをガス中で２２００℃まで加熱して用いた。基
板にはＳｉを用い、裏面を水冷する事で基板表面を９５
０℃に保った。この状態で１０時間保持したところ、厚
さ２０μｍ程度の膜がＳｉ上に形成された。得られたＳ
ｉ上のダイヤモンド膜を酸処理して、ダイヤモンドの自
立膜を得た。この膜がダイヤモンドで出来ていることを
ラマン分光法で確認すると共に、電子線回折などから、
この膜が多結晶体であることを確認した。得られた試料
は、その一部を質量分析することにより、12Ｃ：13Ｃ＝
８０：２０であることを確認した。また得られた結晶を
厚さ１ｍｍにスライス加工し、赤外吸収スペクトルを測
定したところ、窒素などの不純物による吸収は見られ
ず、また炭素自体による波長５μｍ付近の最大吸収率は
やはり９０％以下であった。窒素及びホウ素の含有量は
実施例１と同様であった。
【００１７】実施例５ 気相合成法によりダイヤモンドの合成を行った。炭素源
としては、ＣＨ4 とＣＯ2 を用い、合成に投入するガス
の原子数比率を流量で調整した。あらかじめ１０-3Ｔｏ
ｒｒ以下に真空引きした反応容器中に、12Ｃ：13Ｃ＝５
０：５０と成るように、１％13ＣＨ4 ／Ｈ2 ガスと１％
13ＣＯ2 ／Ｈ2 ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１００
ｓｃｃｍ流した。ガスの分解手段としてはマイクロ波プ
ラズマ法を用い、その他は実施例４と同じ方法により、
ダイヤモンドの膜を得た。この膜がダイヤモンドで出来
ていることをラマン分光法で確認すると共に、電子線多
回折などから、この膜が多結晶体であることを確認し
た。得られた試料は、その一部を質量分析することによ
り、原料ガス中の炭素同位体比と同じく12Ｃ：13Ｃ＝５
０：５０であることを確認した。また得られた結晶を厚
さ１ｍｍにスライス加工し、赤外吸収スペクトルを特定
したところ、窒素などの不純物による吸収は見られず、
また炭素自体による波長５μｍ付近の最大吸収率はやは
り９０％以下であった。窒素及びホウ素の含有量は実施
例１と同様であった。
としては、ＣＨ4 とＣＯ2 を用い、合成に投入するガス
の原子数比率を流量で調整した。あらかじめ１０-3Ｔｏ
ｒｒ以下に真空引きした反応容器中に、12Ｃ：13Ｃ＝５
０：５０と成るように、１％13ＣＨ4 ／Ｈ2 ガスと１％
13ＣＯ2 ／Ｈ2 ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１００
ｓｃｃｍ流した。ガスの分解手段としてはマイクロ波プ
ラズマ法を用い、その他は実施例４と同じ方法により、
ダイヤモンドの膜を得た。この膜がダイヤモンドで出来
ていることをラマン分光法で確認すると共に、電子線多
回折などから、この膜が多結晶体であることを確認し
た。得られた試料は、その一部を質量分析することによ
り、原料ガス中の炭素同位体比と同じく12Ｃ：13Ｃ＝５
０：５０であることを確認した。また得られた結晶を厚
さ１ｍｍにスライス加工し、赤外吸収スペクトルを特定
したところ、窒素などの不純物による吸収は見られず、
また炭素自体による波長５μｍ付近の最大吸収率はやは
り９０％以下であった。窒素及びホウ素の含有量は実施
例１と同様であった。
【００１８】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によるダ
イヤモンドは、波長５μｍ付近の光学的吸収率が９０％
以下、と従来のダイヤモンドに比べて吸収が少なく、真
空紫外領域から赤外領域までの広い波長領域で利用可能
な窓材などに用いることができる。
イヤモンドは、波長５μｍ付近の光学的吸収率が９０％
以下、と従来のダイヤモンドに比べて吸収が少なく、真
空紫外領域から赤外領域までの広い波長領域で利用可能
な窓材などに用いることができる。
【図１】図１は温度差法によるダイヤモンド単結晶合成
用の試料室構成を示す概略説明図である。
用の試料室構成を示す概略説明図である。
１：炭素源 ２：溶媒金属 ３：種結晶 ４：絶縁体 ５：黒鉛ヒーター ６：圧力溶媒
Claims (9)
- 【請求項１】 炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含み、窒素及び／又はほう素不純物の含
有量が５ｐｐｍ以下であり、かつ波長４μｍから６μｍ
の範囲で、最大吸収率が９０％以下であることを特徴と
するダイヤモンド。 - 【請求項２】 目的とする組成を有する炭素原料を用
い、温度差法によりダイヤモンドの熱力学的に安定な温
度圧力領域でダイヤモンドを合成することを特徴とする
請求項１に記載のダイヤモンドの製造方法。 - 【請求項３】 炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含む炭素材料を２０００℃以上３０００
℃以下で加熱処理した後、膜成長法により直径５００μ
ｍ以下のダイヤモンド粒子を製造し、これを原料として
用いることを特徴とする請求項２に記載のダイヤモンド
の製造方法。 - 【請求項４】 ダイヤモンド合成の温度が１０００℃以
上１８００℃以下であり、かつ圧力が４ＧＰａ以上８Ｇ
Ｐａ以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載
のダイヤモンドの製造方法。 - 【請求項５】 窒素ゲッターとしてＴｉ、Ａｌ、Ｃｕ、
Ｚｒ及びＨｆからなる群から選択される少なくとも一種
類以上含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに
記載のダイヤモンドの製造方法。 - 【請求項６】 炭素同位体12Ｃを、 ０．０５≦12Ｃ／（全炭素原子）≦０．９５ の原子数比率で含む炭素含有ガスを原料として、当該ガ
スの分解を伴う方法により合成することを特徴とする請
求項２〜５のいずれかに記載のダイヤモンドの製造方
法。 - 【請求項７】 ＣＨ4 、ＣＯ2 及びＣＯの中から選ばれ
る少なくとも一種類を含む炭素含有ガスを利用すること
を特徴とする請求項６に記載のダイヤモンドの製造方
法。 - 【請求項８】 請求項１に記載のダイヤモンドを用いた
赤外線透過光学部品。 - 【請求項９】 請求項８に記載の赤外線透過光学部品を
用いた測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23522796A JPH1081590A (ja) | 1996-09-05 | 1996-09-05 | 炭素同位体を適当な原子数比率で含むダイヤモンド及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23522796A JPH1081590A (ja) | 1996-09-05 | 1996-09-05 | 炭素同位体を適当な原子数比率で含むダイヤモンド及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1081590A true JPH1081590A (ja) | 1998-03-31 |
Family
ID=16982973
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23522796A Pending JPH1081590A (ja) | 1996-09-05 | 1996-09-05 | 炭素同位体を適当な原子数比率で含むダイヤモンド及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1081590A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6858080B2 (en) * | 1998-05-15 | 2005-02-22 | Apollo Diamond, Inc. | Tunable CVD diamond structures |
| US7201886B2 (en) | 1998-05-15 | 2007-04-10 | Apollo Diamond, Inc. | Single crystal diamond tool |
| US8591856B2 (en) | 1998-05-15 | 2013-11-26 | SCIO Diamond Technology Corporation | Single crystal diamond electrochemical electrode |
| US8641999B2 (en) | 2005-07-11 | 2014-02-04 | SCIO Diamond Technology Corporation | Carbon grit |
-
1996
- 1996-09-05 JP JP23522796A patent/JPH1081590A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6858080B2 (en) * | 1998-05-15 | 2005-02-22 | Apollo Diamond, Inc. | Tunable CVD diamond structures |
| US7201886B2 (en) | 1998-05-15 | 2007-04-10 | Apollo Diamond, Inc. | Single crystal diamond tool |
| US7258741B2 (en) | 1998-05-15 | 2007-08-21 | Apollo Diamond, Inc. | System and method for producing synthetic diamond |
| US7459024B2 (en) | 1998-05-15 | 2008-12-02 | Apollo Diamond, Inc. | Method of forming an N-type doped single crystal diamond |
| US7560086B2 (en) | 1998-05-15 | 2009-07-14 | Apollo Diamond, Inc. | Single crystal diamond having 12C, 13C, and phosphorous |
| US7942966B2 (en) | 1998-05-15 | 2011-05-17 | Apollo Diamond, Inc. | Method of growing boron doped single crystal diamond in a plasma reactor |
| US8187380B2 (en) | 1998-05-15 | 2012-05-29 | Apollo Diamond, Inc | Method of growing single crystal diamond in a plasma reactor |
| US8591856B2 (en) | 1998-05-15 | 2013-11-26 | SCIO Diamond Technology Corporation | Single crystal diamond electrochemical electrode |
| US8641999B2 (en) | 2005-07-11 | 2014-02-04 | SCIO Diamond Technology Corporation | Carbon grit |
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