NO147637B

NO147637B - Fremgangsmaate ved fremstilling av et diamantmateriale

Info

Publication number: NO147637B
Application number: NO760081A
Authority: NO
Inventors: Herbert Maxwell Strong; Roy Elmer Tuft; Robert Henry Wentorf Jr; William Achillo Rocco
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1976-01-12
Filing date: 1976-01-12
Publication date: 1983-02-07
Also published as: NO760081L; NO147637C

Abstract

Fremgangsmåte ved fremstilling av et diamantmateriale.

Description

Denne oppfinnelse angår en forbedret fremgangsmåte

ved fremstilling av diamanter ut fra diamantkim.

Syntese av diamantkrystaller ved fremgangsmåter hvor der benyttes høyt trykk og høy temperatur, er vel kjent. Foretrukne fremgangsmåter for fremstilling av diamanter er beskrevet i US patentskrifter 2 947 610 og 2 947 609. Apparatur for utførelse av slike fremgangsmåter er beskrevet i US patentskrift 2 941 248.

Diamantvekst finner ved de ovennevnte fremgangsmåter sted ved diffusjon av carbon gjennom en tynn metallisk film av et katalysator/oppløsningsmiddel valgt blant en rekke

forskjellige slike. Selv om slike fremgangsmåter er meget

vel egnede for kommersiell fremstilling av industridiamanter, er den endelige krystallstørrelse ved slik diamantvekst begrenset av det faktum at carbonstrømmen over katalysator/opp-løsningsmiddelfilmen bestemmes av forskjellen i oppløselighet mellom grafitt (det vanlige utgangsmateriale) og den diamant som dannes. Denne forskjell i oppløselighet har en generell tendens til å avta i betydelig grad over et lengere tidsrom, som følge av en reduksjon i trykket i systemet og/eller for-giftningseffekter fra fremmedatomer i det grafitt som omdannes .

Uttrykket "katalysator/oppløsningsmiddel" som anvendes i den foreliggende beskrivelse, er ment å skulle til-kjennegi at de metalliske materialer det her er tale om, både har en katalysatorfunksjon og er oppløsningsmiddelfunksjon.

I faglitteraturen ellers vil man kunne støte på såvel betegnelsen "katalysator" som betegnelsen "oppløsningsmiddel" for disse materialer.

Ved den fremgangsmåte for fremstilling av diamant på

en diamantkimkrystal1 som er beskrevet i US patentskrift 3 297 407, gjøres det på den annen side bruk av en forskjell

i temperatur mellom diamantkimet og carbontilførselskilden for å etablere en carbonkonsentrasjonsgradient som fører til avsettelse på kimet. Kat<p>lysator/oppløsningsmidler beskrevet i de ovennevnte US patentskrifter 2 947 609 og 2 941 248 anvendes også ved temperaturgradicntmetoden ifølge US patent-

skrift 3 297 407. Veksten av diamanten på kimmaterialet drives frem av forskjellen mellom carbonets oppløselighet av diamantcarbon i det smeltede katalysator/oppløsningsmiddel-metall ved carbontilførselskilden og ved kimet, mellom hvilke steder det gjør seg gjeldende en temperaturgradient. Denne generelle utformning av reaksjonskaret gir et trykkstabilt system, slik at trykket lett lar seg opprettholde i det diamantstabile område, hvilket er meget viktig.

Ved meget forsiktig tilpasning av trykk og temperatur og ved anvendelse av relativt små temperaturgradienter og lang veksttid i forhold til de veksttider som benyttes ved tynnfilmmetoden kan større diamanter fremstilles ved metoden ifølge US patentskrift 3 297 407 enn ved tynnfilmmetoden.

Hittil har imidlertid forsøk på å oppnå pålitelig diamantvekst av meget høy kvalitet medført et antall tilsynelatende gjensidig utelukkende, men like fullt samtidig forekommende problemer. Hovedproblemene er (i) en sterk tendens henimot spontan kimdannelse, (ii) en tendens til at diamantkimmaterialet oppløses for tidlig og (iii) vanskelig-heter med å fremstille og regulere farver og mønstere av smykkekvalitet i diamantproduktene.

Spontan dannelse av diamantkimkrystaller nær dia-mantkimmmaterialet (som finner sted ved økning av temperatur-gradienten utover "sikkerhets"-verdien) er uheldig av den grunn, at hvis veksttiden forlenges for at kimet skal føre til en diamant som er større enn 1/20 karat, vil den spontane kimdannelse og den derpå følgende vekst av de dannede kim konkurrere med veksten ut fra det plantede diamantkim, med påfølgende kollisjoner mellom flere krystaller, hvilket fører til spenningsbrudd i disse.

Delvis eller fullstendig oppløsning av diamantkimmaterialet i det smeltede katalysator/oppløsningsmiddelmetall er uheldig hvis denne finner sted på et galt tidspunkt, fordi oppløsning av kimet fører til ukoordinert diamantvekst som forløper fra separate punkter, og slike voksende diamanter vil, når de møtes, føre til dannelse av sammenblandede, ufull-komne produkter.

Den manglende mulighet til å utøve kontroll med diamant-vekstprosessen, slik at det kan oppnåes reproduserbare resul-tater, er uheldig, fordi det derved ikke blir mulig å anvende dopemidler, getterstoffer ("getters"),kompensatorer og lignende, for å fremstille diamantprodukter med spesielle farvemønstere, som er feilfrie og som har optimale fysikalske egenskaper.

Fremstilling av store diamanter ved trinnvis for-størring av en liten diamant er blitt foreslått i faget tidligere. Ved en slik fremgangsmåte plasseres en liten diamant i en masse av grafitt og katalysator (tynnfilmmetoden), og ny diamantvekst avsettes på denne i størst mulig grad. Denne forstørrede krystall føres på ny i apparatet for ytterligere forstørrelse, dersom dette ønskes. Denne trinnvise "løkskall"-vekst medfører den ulempe at innleiringer eller okklusjoner av forurensninger alltid forekommer ved grenseflaten mellom gammel vekst og det nye lag. Dersom det anvendes lag av ulike farver under fremveksten av diamanten, vil skarpe skillelinjer dannes mellom suksessive lag.

Det ville være fordelaktig om man kunne unngå slike innleiringer og derved bli i stand til å tilveiebringe diffuse grenser mellom farvene. For å oppnå en slik diamantkrystall er det nødvendig med kontinuerlig vekst, hvorunder de ønskede farver innføres under kontroll. En slik kontinuerlig diamantkrystallvekst har nu vist seg mulig ved å anvende et spesielt kimdannelseundertrykkende barrierelag.

I dette øyemed tilveiebringes der i henhold tii oppfinnelsen en fremgangsmåte ved fremstilling av et diamantmateriale, ved hvilken et reaksjonskar inneholdende et diamantkimmateriale og en carbontilførselskilde adskilt av en masse bestående hovedsakelig av et katalysator/oppløsningsmiddel underkastes et trykk i det diamantstabile område av fasediagrammet for carbon, samtidig med at reaksjonskaret opp-

varmes på en slik måte at diamantkimmaterialet holdes ved en temperatur nær minimumstemperaturen for det diamantstabile område, mens carbontilførselskilden holdes ved en temperatur nær maksimumstemperaturen for dette område, hvorved det fremskaffes en temperaturgradient mellom diamantkimmaterialet

og carbontilførselskilden. Den nye fremgangsmåte utmerker

seg ved at der mellom diamantkimmaterialet og massen av katalysator/oppløsningsmidlet anbringes minst ett av de følgende lag: (a) et kimdannelseundertrykkende barrierelag som er oppløselig i katalysator/oppløsningsmidlet ved driftsbetingelsene, og som er forsynt med minst én åpning mellom diamantkimmaterialet og massen av katalysator/oppløsnings-midlet, (b) et kimdannelseundertrykkende barrierelag som er uoppløselig i katalysator/oppløsningsmidlet ved driftsbetingelsene, og som er forsynt med minst én åpning mellom diamantkimmaterialet og massen av katalysator/oppløsnings-midlet, og (c) et isolasjonslag, som, når det er kontakt med diamant, har et smeltepunkt som er høyere enn smeltepunktet for massen av katalysator/oppløsningsmiddel når massen er mettet med oppløst carbon.

På forhånd bestemte farver og mønstre dannes i produkter av smykkekvalitet ved fremgangsmåten ved innbefattelse av dopemidler, farvestoffer og kompensatorer i carbontilførsels-kilden og/eller katalysator/oppløsningsmidlet.

Oppfinnelsen illustreres ytterligere i de medfølgende tegninger, hvor: fig. 1 illustrerer en utførelsesform av en høytrykks-, høytemperaturapparatur som er anvendbar for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 illustrerer i forstørret tverrsnitt en reak-sjonskonstruksjon som er anvendelig ved en første utførelses-form av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, ved hvilken det anvendes en kimdannelseundertrykkende barriere med en åpning,

fig. 3 er et ytterligere forstørret riss av området i umiddelbar nærhet av diamantkimmaterialet vist i fig. 2,

fig. 4 viser forholdet mellom den nye diamantvekst og diamantkimet i den utførelse som er vist i fig. 2,

fig. 5 viser et forstørret tverrsnitt av en andre reaksjonskarkonstruksjon, hvor en forlengelse av katalysator/opp-løsningsmidlet strekker seg ned til diamantkimet gjennom en kimdannelseundertrykkende barriere,

fig. 6 er et ytterligere forstørret snitt av naboområdet til diamantkimmaterialet som vist i fig. 5,

fig. 7 er et forstørret vertikalt tverrsnitt av en annen reaksjonscellekonstruksjon ifølge en tredje utførelsesform, hvor en kimdannelseundertrykkende barriere er anordnet med begrensede vekstbaner for diamantproduktet,

fig. 8 er et ytterligere forstørret snitt av naboområdet til diamantvekstbanene ifølge det trekk som er vist i fig- 7,

fig. 9 er et snitt lik fig. 8, som viser diamantvekstbanene som åpninger uten tråder deri ifølge den utførelses-form som er vist i fig. 7,

fig. 10 er et forstørret vertikalsnitt av en reaksjonskarkonstruksjon sammensatt ifølge en fjerde utførelsesform, hvor en isolasjonsbarriere er anvendt for å forhindre for tidlig smelting av diamantkimet,

fig. 11 er et ytterligere forstørret snitt gjennom naboområdet til diamantkimmaterialet ">ph vist i fig. 10,

fig. 12, 13, 14, 15 og 16 er forstørrede snitt

gjennom naboområdet til diamantkimmaterialet, slik som dette område vil fremkomme i forskjellige variasjoner av den konstruksjon som er vist i fiy. 10,

fig. 17 viser forholdet, mellom den nye diamantvekst, diamantkimet, og katalysator/oppløsningsmiddelbadet i de ut-førelsesformer som er beskrevet i fig. 10 - 16,

fig. 18 viser et forstørret vertikaltverrsnitt gjennom et hovedreaksjonskar beregnet på å inneholde forskjellige

tilsatsstoffer for å tilveiebringe farving og/eller mønster-dannelse i ett enkelt veksttrinn,

fig. 19 er et forstørret riss av en karkonstruksjon for anvendelse i utførelsesformen ifølge fig. 18, for fremstil-

ling av "stjerne"-diamanter av smykkekvalitet, og

fig. 20, 21 og 22 er forstørrede riss av en serie

av ladningsmontasjer beregnet på å inneholdes i en reaksjonskarkonstruksjon slik som vist i fig. 18, hvor farvede soner og/eller mønstre dannes.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av diamanter av smykkekvalitet. For å gi en for-ståelse av den samlede problemstilling vil en kort introduksjon som angir hovedproblemstillingene, presenteres før den detaljerte beskrivelse av de forskjellige sider ved oppfinnelsen. Hovedproblemet er å underkaste et reaksjonskar inneholdende en diamantsynteseblanding trykk- og temperaturbetingel-ser i det diamantstabile område av carbonfasediagrammet. Syntese-blandingen innbefatter et diamantkimmateriale og en carbon-tilf ørselskilde adskilt av en masse av katalysator/oppløsnings-middel. Disse elementer er normalt anbragt lagvis eller opp-stablet som senere omtalt, men andre arrangementer er også mulig. Oppvarmningen av reaktorkaret reguleres for å tilveiebringe

en temperaturgradient innen blandingen, slik at diamantkimmaterialet er ved en temperatur nær minimumsverdien av det diamantstabile område, og carbontilførselskilden er ved en temperatur nær maksimumsverdien. Ved inhibering av virkningen av katalysator/oppløsningsmidlet ved kimmaterialet og i dets umiddelbare nærhet inntil betydelig diamantvekst har funnet sted, kan spontan kimdannelse og kimerrosjon, som motvirker vekst av diamanter med smykkestørrelse, nedsettes. Dette resul-tat oppnåes ved å plassere undertrykkende eller isolerende lag, eller begge deler, mellom katalysator/oppløsningsmidlet og kimmaterialet.

I tillegg til å inhibere katalysator/oppløsningsmiddel-reaksjonen, tilsettes regulerte mengder av dopemidler, getterstoffer, kompensatorer, blandinger derav og lignende til blandingen for fremstilling av pålitelig reproduserbare dia-mantkrystallprodukter med på forhånd bestemt farve, farvemønstere, soneoppdelt farve og lignende.

Fortrinnsvis vil barrierelaget eller -lagene og massen av katalysator/oppløsningsmiddel være av forskjellige materialer i en gitt reaksjonskarkonstruksjon.

Fortrinnsvis vil et kimdannelseundertrykkende lag

være av kobolt, jern, mangan, titan, krom, wolfram, vanadium, niob, tantal, zirkonium, legeringer av de nevnte metaller, naturlig forekommende glimmer, polykrystallinsk aluminiumoxyd med høy tetthet, pulverformet aluminiumoxyd, kvarts, silicium-oxydglass, hexagonale bornitridkrystaller, kubiske bornitridkrystaller, bornitridkrystaller av wurtzicstruktur eller siliconcarbid beskyttet med ett av metallene i platinafamilien.

Fortrinnsvis vil en isoiasjonsbarriere være konstruert av et materiale som er forskjellig fra det kimdannelsesunder-trykkende lag, om et slikt anvendes, og være valgt blant platina, molybden, titan, tantal, wolfram, iridium, osmium, rhodium, palladium, vanadium, ruthenium, krom, hafnium, rhenium, niob, zirkonium og legeringer derav.

Carbontilførselskilden og katalysator/oppløsningsmiddel-blandingen vil være et hvilket som helst materiale som hensiktsmessig anvendes for dette formål. Slike materialer er rikelig illustrert i nevnte US patentskrift 3 297 407. Foretrukne materialer vil bli illustrert i det etterfølgende.

I forliggende beskrivelse har følgende betegnelser følgende betydninger.

a) dopemiddel: en urenhet som hvis den foreligger på stedet for diamantveksten vil

inngå i det voksende diamantgitter og innvirke på de fysikalske, mekaniske og/sller elektriske egenskaper av diamantveksten, b) getter: et materiale hvis atomer, om dette er tilstede ved diamantvekststedet,

vil forhindre eller begrense inntreden av ett eller flere dopemate-riaier i den utviklende diamantvekst, og

<c>> kompensatorer: et materiale hvis atomer, om dette er tilstede ved diamantens vekst-sted, vil inntre i det voksende diamantgitter og delvis eller fullstendig oppveie den vanlige innvirkning av ett eller flere dopematerialer som er tilstede i gitteret, med hensyn til diamantens fysikalske, mekaniske og/eller elektriske egenskaper .

Slike materialer er vel kjent innen faget. Mange av disse vil bli illustrert i det etterfølgende. Blåhvite smykke-stener fremstilles f.eks. hvis bor alene, eller spesielt kom-binert med aluminium, tilsettes som dopemiddel. Hensiktsmessig kan aluminiumet være legert med katalysator/oppløsningsmidlet. Multiple lag av carbontilførselsmateriale og katalysator/opp-løsningsmiddel kan selvsagt anvendes, hvert inneholdende ett eller flere dopemidler, gettere, kompensatorer og lignende for å gi de ønskede effekter, slik'som det vil bli forklart i det etterfølgende. I en utførelsesform kan f.eks. aluminium, titan, zirkonium eller en legering derav være i ett lag, mens nitrogen, bor eller kilder for disse kan være i et annet lag. Hvis diffusjonsbanene for elementene er av forskjellig lengde, kan farvesoner på en grei måte oppnåes i det ferdige diamant-produkt.

Fortrinnsvis vil diamantkimmaterialer være en enkel krystall. Særlig foretrukket vil det være at en kubusflate av krystallen er orientert slik at den er i kontakt med bærer-laget eller massen av metallisk katalysator/oppløsningsmiddel. 1 andre foretrukne utførelsesformer kan diamantkimmaterialet også bestå av enkle krystaller anbragt adskilt fra hverandre.

En foretrukket form av en høytrykks- og høytemperatur-apparatur i hvilken fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan ut-føres, er gjenstand for det tidligere angitte US patentskrift 2 941 248 og er skjematisk vist i fig. 1.

I fig. 1 innbefatter apparaturen 10 et par av cemen-terte wolframcarbidstempler 11 og 11' og et mellomliggende belte eller kokillestykke 12 av samme materiale. Kokillestykket 12 avgrenser en sentralt lokalisért spalte og avgrenser i kombinasjon med stemplene 11, 11' to ringformede volumer. Mellom stempel 11 og kokillen 12 og mellom stempel 11' og kokillen 12

er det innbefattet pakningsrør/isolasjonsstykker 13, 13', hvor hver omfatter et par av termi.sk. isolerende og elektrisk ikke-ledende pyrofyllitstykker 14 og 16 og en mellomliggende metall-pakning 17. Hvert stempel bærer en endedekselmontasje som innbefatter en pyrofyllitplugg eller skive 23 omgitt av en elektrisk ledende ring 24. De ovenfor angitte montasjer 13, 13sammen med endemontasjene 19, 19' og elektrisk ledende metallendeskiver 21, 21' tjener til å avgrense volumet 22 som opptas av reaksjonskaret 30.

I en første foretrukken .ut-førelsesform vil fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjøre bruk av et kimdannelsesunder-trykkende barrierelag med minst én åpning deri. I fig. 2 er rekasjonskaret 30 av den generelle type som er beskrevet i US patentskrift 3 030 662 modifisert ved tilføyelse av stål-holderinger 31 og 32.

Kar 30 innbefatter en ytre hul sylinder 33 som fortrinnsvis er fremstilt av rent natriumklorid, men som kan være fremstilt av andre materialer slik som talkum. Generelle kriterier for valg av materialet for sylinder 33 er at materialet a) ikke omdannes under trykk til en hårdere og stivere tilstand, slik som ved faseomdannelse og/eller komprimering og

b) er hovedsakelig fri for volumendringer forårsaket av høy temperatur og høyt trykk, hvilke f.eks. finner sted med pyrofyllit og porøst aluminiumoxyd. Materialer som oppfyller disse kriterier, er beskrevet i US patentskrift 3 030 552 (spalte 1, linje 59 til spalte 2, linje 2), og slike er anvendbare for fremstilling av sylinder 33. Anbragt ko:nsentrisk innen og i umiddelbart nærhet ^v sviinder 33 er et elektrisk motstandsoppvarmningsrør 34 av grafitt. Når reaksjonskaret 30

er anbragt i rom 22, danner oppvarmerrør 34 elektrisk kontakt mellcm endeski»^ne 21, 21', slik at varme regulerbart kan til-føres under utførelse av prosessen. Innen grafittoppvarmer-

rør 34 er det i sin tur konsentrisk anbragt en sylindrisk salt-foringsplugg 36, på hvilken det e~ anbragt en hul saltsylinder 37 med innhold.

Operative metoder for anvendelse av både høye trykk

og høye temperaturer i denne apparatur er vel kjent innen faget. Den foregående beskrivelse angår utelukkende en høytrykks-

og høytemperaturapparatur. Diverse annen apparatur som likeledes er i stand til å frembringe de nødvendige trykk og temperaturer, kan også anvendes for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Trykk, temperaturer, metalliske katalysator/ oppløsningsmidler og kalibreringsmetoder er beskrevet i de ovenfor angitte patentskrifter.

I fig. 2 har bunnen av sylinder 37 innesluttet en inn-støpningsskive 38 med minst ett diamantkim 39 innstøpt deri. Angivelsen av diamantkimet er skjematisk. Som vist er kimet 39 lokalisert i en del av skiven 38 og rager ut fra overflate 40 derav i en tilstrekkelig avstand til å fremvise den eksponerte flate av kimet 39 gjennom hull 41 i det kimdannelseundertrykkende lag 42, som utgjøres av et lag av partikkelformig materiale eller en fast skive. Hull 41 er fylt med kimet, som fremviser den eksponerte øvre overflate av diamantkimmaterialet 39 (fortrinnsvis en kubusflate) i kontakt med den nedre overflate av plugg k3 av metallisk katalysator/oppløsningsmiddel

(fig. 3) . Tykkelsen av plugg 43 er medhj'elpende til å bestemme temperaturforskjellen som gjør seg gjeldende i cellen. Med en tykkere plugg er temperaturforskjellen større.

Også lokalisert innen saltsylinder 37 er carbontilfør-selsmaterialet 44 og saltsylinder 46 anbragt over dette. Materi-alet 44 er kilden for tilførsel av carbon og kan være sammensatt av diamant eller diamant plus grafitt, eller også bare av grafitt, om så ønskes. Når grafitten er blandet med diamant opptar den ethvert tomrom. Det foretrekkes at carbontilførsels-kilden inneholder overveiende diamant for å redusere det volum-svinn som kan oppstå'under utførelse av prosessen. Ved ut-førelse av prosessen vil enhver tilstedeværende grafitt ved driftstemperatur og - trykk omdannes til diamant før den går i oppløsning i katalysator/oppløsningsmiddelmetallet. Således vil trykktap på grunn av volumforandring ved at grafitt forandres til diamant reduseres til et minimum, slik at det totale trykk forblir i det diamantstabile område ved driftstemperaturen.

Den vertikale dimensjon av plugg 4 3 påvirker også temperatur-gradienten .

Trykkoverførende deler 36, 37, 38 og 46 er fremstilt

av materiale som oppfyller de samme kriterier som materialet for sylinder 33. Samtlige deler 33, 36, 37, 38 og 46 er tørket i vakuum i minst 24 timer ved 100 - 200°C, f.eks. 124°C, før montering. Andre kombinasjoner av former for de trykkoverførende deler 36, 37, 38 og 46 kan selvsagt anvendes. Imidlertid er det arrangement av disse deler som er vist i fig. 2, funnet å være mest hensiktsmessig å fremstille og montere. Eksempelvis kan det være enklere å fremstille sylinder 37 tilstrekkelig lang nok til å inneslutte elementer 38, 42, 43 og 44, i hvilket tilfel]e element 44 vil være fremstilt med en tilstrekkelig stor diameter til å ligge tett an mot oppvarmerrør 34.

Det kimdannelseundertrykkende barrierelag 42 er sammensatt av et materiale forskjellig fra den anvendte katalysator/ oppløsningsmiddel og er valgt fra gruppen bestående av kobolt, jern, mangan, titan, krom, wolfram, vanadium, niob, tantal, zirkonium, legeringer av disse metaller, naturlig glimmer, polykrystallinsk aluminiumoxyd med høy tetthet, pulverformig aluminiumoxyd, kvarts, silikaglass, hexagonale bornitridkrystaller, kubiske bornitridkrystaller, bornitridkrystaller av wurtzitstruktur og silikoncarbid beskyttet med ett av metallene i platinafamilien. Silikoncarbidpartikler er fortrinnsvis blandet med et inert materiale, slik som natriumklorid, og formet som en fast skive med den øvre overflate derav i kontakt med undersiden av plugg 4 3 dekket med et tynt lag av ett av metallene i platinagruppen. Tykkelsen av det kimdannelseundertrykkende barrierelag 42 vil variere fra 2,5um til 254 pm. Det naturlige glimmer, f.eks. muscovit, bør først oppvarmes til ca. 800°C i 12 - 15 timer. Den foretrukne tykkelse av glimmer er 50,8 -

76,2 pm.

Tilstrekkelig av overflaten av undersiden av katalysator/oppløsningsm^ddelpluggen 43 er dekket med barrierelag 42 til å tilveiebi-inge et miljø omkring kimet 39 som under-trykker spontan diamantkimdannelse i en betydelig avstand rundt diamantkimet 39. Fortrinnsvis er hele undersiden av plugg 4 3 dekket av barriereiaget 42, men hvis mindre enn hele overflaten er dekket, bør laget 42 strekke seg over minst 50% større avstand i alle retninger fra kimet enn den laterale vekst-dimensjon som er ønsket for diamanten. Hvis barriereiaget 42

er fremstilt av et av de ovenfor angitte metallmaterialer,

må noe rom foreligge mellom diamantkim 39 og veggen av hull 41

i hvilket materialet av skive 38 vil strekke seg. Dette forhold er vist klarere i fig. 3. I metallskiven er forholdet mellom diameteren og hullet og den største dimensjon av kimet innen området 1,5:1 til 5:1 når hull 41 er beregnet på

å omgi kimet.

Den eksakte mekanisme (eventuelt mekanismer) hvorved skivene eller lagene av disse diamantkimdannelse-undertrykkende

materialer lokalisert på den beskrevne måte virker til å redusere eller eliminere diamantkimdannelse i umiddelbar nærhet av diamantkimet 39, er ikke kjent med sikkerhet. Imidlertid er det funnet at på denne måte kan diamantkimdannelse holdes tilbake i det minste inntil kimveksten blir relativt stor, velformet og istand til å motta den fulle carbonstrøm som tilføres under drift ved

temperaturforskjeller ved hvilke uekte diamantkimdannelse førte til en sammenklumpet masse av diamantvekst i identiske sys-temer uten den kimdannelseundertrykkende skive.

Som vist i fig. 4 rager den voksende nye diamant inn

i bad 4 3 (fig. 4 er tegnet for et arrangement i hvilket barriereiaget 42 oppløses av katalysator/oppløsningsmiddel-metallet) ettersom den vokser. Etter avslutning av forsøket og reduksjon av temperatur og trykk for å tillate fjerning av reaksjonskaret 30 løsgjøres lett den nye diamantvekst innstøpt i det nå stivnede metalliske katalysator/oppløsningsmiddel •• 43 fra kimstedet. De således fremstilte diamanter fjernes lett ved oppbrytning av massen 43. Enhver fordypning eller overflateruhet kan deretter poleres vekk.

Fremgangsmåter utført i slik apparatur er illustrert

i eksempler 1 - 5.

I en annen foretrukken utførelsesform vil fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ajøre bruk av en kimdannelseundertrykkende barriere med minst én åpning deri, og det vil foreligge minst én liten ansamling av katalysator/oppløsningsmiddel som strekker seg gjennom åpningen for å sammenkoble massen av katalysator/oppløsningsmiddel med et rom som inneholder diamantkimmaterialet. I fig. 5 har reaksjonskaret mange kon-struksjonstrekk felles med dem som er beskrevet under henvisning til fig. 2. De operative metoder er også de samme. I den etter-følgende beskrivelse har elementer svarende til de tidligere beskrevne de tilsvarende nummerangivelser.

I fig. 5 er et kimdannelseundertrykkende barrierelag

42 anbragt i kontakt med bunnen av masse 43 av metallisk katalysator/oppløsningsmiddel og mellom masse 43 og skive 38.

En tagg 43' av masse 43 rager gjennom hull 41 i lag 42 inn i skive 38 for å skape kontakt med en eksponert flate (fortrinnsvis kubusflaten) av diamantkim 39. Kimet 39 er innstøpt i skiven 38 nedenfor hovedoverflaten av skiven med en flate eksponert gjennom hull 38' i hovedoverflaten.

Mer enn én slik tagg 43' kan anvendes om ønsket, i hvilket tilfelle et separat kim vil være tilveiebragt for hver tagg 43'. Fortrinnsvis er hullene 38' og 41 koaksiale og med samme diameter. Denne anordning av delene kan best sees i fig. 6.

Temperaturforskjellen mellom den varme del av cellen (omtrent halvveis opp cellens høyde) og diamantlommen er fortrinnsvis i et område på 20 - 30°C. Denne forskjell avhenger av konstruksjonen av cellen, f.eks. dybden og lokaliseringen av massen av metallisk katalysator/oppløsningsmiddel, den differensielle resistans i oppvarmerrøret, den termiske ledningsevne av endeskivene, etc. Således er tykkelsen og den vertikale plassering av plugg 43 medhjelpende til å besteiiuue temperaturforskjellen som råder i reaksjonskaret. Med en tykkere masse av katalysator/oppløsningsmiddel er temperaturforskjellen større.

Reaksjonskarkonstruksjonen vist i fig. 5 og 6 virker samtidig både til å undertrykke spontan diamantkimdannelse og til å redusere sprekkmengden i hovedlegemet av diamant fremstilt ut fra et diamantkim. De d.mensjonsmessige kriterier for laget eller skiven 42 er de samme som tidligere beskrevet, med unntak av at taggen 43' ikke er dekket av lag 42. Hvis skiven 42 i den konstruksjon som er vist i fig. 5 og 6, er fremstilt av en av de tidligere angitte metallmaterialer, må det være rom mellom diamantkimet 39 og den narimeste del av skiven 42, og materialet i skive 38 vri rage inn i dette rom.

Forsøk med forskjellige reaksjonskarkonstruksjoner har fastslått glimrende kimdannelseundertrykkende egenskaper av kobolt og naturlig glimmer og brukbare kimdannelseundertrykkende egenskaper av wolfram. På samme .uåte er det funnet at syntetisk glimmer, platina og nikkel (såvel som molybden, se eksempel 6) ikke er anvendbare som kimdannelseundertrykkende rnaterialer.

Med hensyn til vekstfeil, er det funnet at ved å plassere det lille fremspring eller ansamling av katalysator/ oppløsningsmiddelmetal1 43' i kontakt med diamantkimmaterialet, vil begynnelsesvekstfeil oppsamles i dette lille fremspring. På det tidspunkt hvor diamantveksten er kommet frem gjennom taggen 43' og har nådd hovedansamlingen av katalysator/ oppløsningsmiddelmetal1 43, er det riktige vekstmønster etablert,og feilfri (eller hovedsakelig feilfri) vekst finner sted fra dette punkt ettersom den kontinuerlig økende vekst blir større og rager inn i forrådet 43.

Hvis taggen 43' er utformet som en sirkulær sylinder, vil diameteren derav være i området fra større enn 0,508 mm til 2,54 mm. For tagger fremstilt i andre utformninger bør tverrsnittarealet på tvers av reaksjonskarets 30 akse ved en viss lokalisering langs taggen være ekvivalent med et sirku-lært tverrsnitt med en diameter i området fra større enn 0,508 mm til 2,54 mm. Når sylindriske tagger med diameter større enn 0,762 mm anvendes, vil et fremspring av diamant fast festet til den nye diamantvekst utvikles fra taggen. Dette fremspring inneholder begynnelsesvekstfeil og vil bli slipt vekk ved omdannelse av den nye diamantvekst til den ønskede form, f.eks. en smykkeform.

Høyden (fra kim 39 til masse 43) av taggen 43' skal være i området fra 0,76 mm til 1,52 mm. Som et eksempel på en ikke-sylindrisk tagg, kan tagg 43' være konisk med toppunktet derav i kontakt med kim 39. Tagg 43' behøver ellers ikke være i ett med masse 4 3, men kan opprinnelig være en separat masse-del og gi direkte kontakt dermed, så lenge den er fremstilt av, eller inneholder en tilstrekkelig mengde katalysator/opp-løsningsmiddel. F.eks. kan en bit av metallisk katalysator/ oppløsningsmiddel som forbinder massen 43 og kimet 39,ha form av en kubus, kule eller annen form fremstilt av nikkel eller bestemte nikkel-jern-legeringer, forutsatt at en stor nok kimdiamant anvendes for å overleve tap av carbon til biten. Katalysator/oppløsningsmidlet som en slik separat tagg 43' utgjør (eller som kulen inneholder) i en gitt reaksjonskarkonstruksjon, skal ha et smeltepunkt, når det er i kontakt med diamanten, som er høyere enn smeltepunktet av massen av katalysator/oppløsningsmiddelmetal1 43 når dette'er kon-

takt med diamanten.

På grunn av taggens 43' evne til å samle begynnelsesvekstfeil, kan, hvis en stor nok kimdiamant anvendes, noe etsing av diamanten av taggmetallet tolereres i bytte med den tidsgevinst som oppnåes med denne konstruksjon. Prosesser utført i en slik apparatur er illustrert i eksempel 7.

I en tredje foretrukket utførelsesform vil reaksjonskaret og prosessen innbefatte en åpning i det kimdannelse-undertrykkende barrierelag tilpasset til å omfatte en begrenset diamantvekstbane som løper gjennom barrieren og sammenbinder massen av katalysator/oppløsningsmiddel med et rom inneholdende diamantkimmaterialet. I fig. 7 er reaksjonskaret 30 av den generelle type og konstruksjon som er beskrevet ovenfor. De operative metoder for påføring både av høyt trykk og høy temperatur er beskrevet ovenfor.

I figurene 7 og 8 er en saltplugg 38 inneholdende en lomme 39' med diamantkrystaller (eller én enkelt diamant om ønsket) anbragt innen saithylse 37 hvilende på saltplugg 36. Direkte ovenfor er det anbragt en inert barriereskive 42 med i det min.te én fin tråd løpende gjennom denne, med den nedre ende i kontakt med lommen 39' med diamantkrystaller og den øvre ende i kontakt med den nedre overflate av hovedkatalysator/oppløsnings massen 43 for å tjene som den begrensede diamantvekstbane. Den inerte barriereskive 42 er fremstilt av et materiale som er ulø-selig i smeltet katalysator/oppløsningsmiddel, fortrinnsvis av natriumklorid. Denne skive kar. imidlertid være fremstilt av CaF2 (forutsatt at tilstøtende reaksjonskarkomponenter er fremstilt av materialer som er forlikelige med dette) , tungt smeltelige oxyder,slik sor.i A1203, MgO, Zr02, CaO, Si02, Th02 og BeO, f.eks. naturlig glimmer, høytsmeltende -silicatglass (f.eks. borsilicat) som ikke reduseres av varmt carbon, porselen eller silicater (f .eks. MgSiO-j eller pyrofyllit oppvarmet ved 750° C for å av-drive vann). Tykkelsen av skiven 4 2 skal være i området fra 0,254 mm til 0,762 mm.

Tråder 47, 48 slik som vist i fig. 8 eller hull 49, 50 som vist i fig. 9 kan strekke seg rett gjennom skiven 42. De kan ha en sik-sak-konfigurasjon eller være anordnet i en annen retning enn den perpendikulære. I denne utførelsesform som er vist r fig. 8,har trådene 47, 4 8 fortrinnsvis en diameter varierende fra 0,0254 til 0,508 mm (eller ekvivalent tverrsnitt for ikke-sirkulære tråder) og, når det lar seg gjøre, er disse støpt i pluggen. Den øvre (varmere) ende av trådene 47, 48 må være i kontakt med metallisk katalysator/oppløsningsmiddel 43, og den kaldere ende av tråden må berøre diamanten i lommen 39' (eller grafitten i lomme 39' som omdannes til diamant).

Lomme 39' vil inneholde minst én diamantkrystall og

kan inneholde så meget som 30 vekt% grafitt. Det foretrekkes å ha en liten konsentrasjon av katalysator/oppløsningsmiddel-metall lokalisert i lomme 39' for å nedsette enhver erosjon av trådene, slik som trådene 47, 48. Dette metall kan foreligge som en skive anbragt mellom innholdet i lomme 39' og endene av trådene. Mengden av katalysator/oppløsningsmiddel-metall som anvendes kan variere fra 10 - 50 vekt% når dette anvendes.

Diamantvekstbanene er fremstilt av (eller, når det gjelder hullene 49, 50, er fylt med) et katalysator/oppløsnings-middelmetall som har et smeltepunkt i kontakt med diamant som er sammenlignbart med smeltepunktet til katalysator/oppløsnings-middelmassen 43 i kontakt med diamanten. En enkelt eller flere diamantvekstbaner kan være anordnet avhengig av størrelsen av katalysator/oppløsningsmiddel—badet og størrelsen av den ønskede diamant.

Når driftstrykk og temperatur nåes, smelter det metalliske katalysator/oppløsningsmiddel 43 i kontakt med diamant i carbontilførselskilden 44 først. Smeltingen forløper fra toppen og nedover. Enhver grafitt i masse 44 av næringsmedium omdannes til diamant, og diamant oppløses i katalysator/opp-løsningsmidlet. Trådene 47, 48 smelter, og carbonrikt smeltet katalysator/oppløsningsmiddel bringes i en strømningsforbindelse med diamantlommen 39' , og carbonet begynner å komme ut av løsnin-gen som diamant under anvendelse av diamantoverflaten i kontakt med den kaldere ende av de smeltede "tråder" 47, 4 8 som av-setningsflate. Diamantveksten forløper opp gjennom de smeltede

tråder 47, 48 til katalysator/oppløsningsmiddelmetallbad 43,

idet hver tråd ved sin øvre ende oppviser et separat kim som initierer den store krystallvekst som så strekker seg irin i bad 43. Størrelsen som de store krystaller (ikke vist) vil utvikles til, avhenger av det tilgjengelige volum i badet 43

for forstørrelsen og prosessens varighet. Hvis mer enn én stor krystall fremstilles, bør forsøket avsluttes før kolli-

sjon oppstår mellom de voksende krystaller.

Når det gjelder den utførelsesform som er vist i fig.

9, anvendes åpne Kanaler 49, 50 med diametere i samme område som tråder 47, 48 istedenfor trådene som vist i fig. 8. Driften er hovedsakelig den samme, idet kanalene ved driftstemperatur og trykk (hvis et sterkt materiale slik som naturlig glimmer anvende0) vil forbli tilstrekkelige åpne•til å tilveiebringe passasje av smeltet katalysator/oppløsningsmiddel 43 til ,diamantlommen39: . Dette således anbragte . katalysator/oppløsnings-middel skaper smeltede "tråder" in situ(som muliggjør trans-port av carbon til den kalde ende, hvorved diamantvekst kan initieres og forløpe opp gjennom kanalene 49, 50 til den øvre side av skive 42' og derved tilveiebringe ett enkelt kim for hvert hull eller hver kanal.

Diamantvekstbanene (trådene 47, 48 eller hullene 49,

50) holder seg som la.ge tynne tråder av diamant, eller di^mant-hår. Etter avslutning av forsøket og reduksjon av temperatur og trykk for å muliggjøre fjerning av reaksjonskaret 30 kan den nye diamantvekst innstøpt i det stivnede metalliske katalysator/ oppløsningsiniddel 43 lett fjernes ved å bryte opp massen 43. Om ønsket kan diamanttrådene gjenvinnes ved oppløsning av salt-skiven 38.

Under dckomprimeringen brytes vanligvis forbindelsen mellom diamanttråden i hver vekstbane og den diamant som er dannet fra kimet (. tilsynelatende på grunn av konsentrasjonen av spenning på dette punkt. Avhengig av tverrsnittsarealet av vekstbanen vil en viss mengde av den nye vekst brytes uten å etter-late noen ru,innskåret flata.jo mindre tverrsnitsarealet til vekstbanen er, jo grunnere vil dybden av den avbrukne del være. Når det gjelder diamanter av smykkekvalitet må denne skade sli-pes glatt og minimal skade av denne type vil gi polerte smykker med stor størrelse. En maksimaldiameter på 0,508 mm (eller ekvivalént tverrsnittsareal) av hver vekstbane muliggjør både anvendelse av flere kim i lommen 39' (samtidig som det sikres eksponering av ett enkelt adskilt kim for massen 43 via hver vekstbane) og reduserer den ovenfor angitte skade til et minimum.

Mislykket diamantvekst skyldes i mange tilfeller dårlig cellemontering, hvorved forskyvning av trådene oppstår, slik at det ikke dannes kontakt med innholdet i lommen 39'.

Dannelse av diamantmaterialer i henhold til dette foretrukne trekk ved oppfinnelsen er illustrert i eksemplene 8 - 16.

I en fjerde foretrukken utførelsesform innbefatter apparaturen en isolasjonsbarriere med et smeltepunkt når det er i kontakt med diamant, som er høyere enn smeltepunktet for massen av katalysator/oppløsningsmiddel når massen er mettet med oppløst carbon. I fig. 10 er reaksjonskaret 30 av den generelle type og konstruksjon som er beskrevet nedenfor. Operative metoder for påføring av høyt trykk og høy temperatur i denne apparatur er som tidligere beskrevet.

I fig. 10 omslutter bunnenden av sylinder 37 innstøp-ningsskiven 38 med minst ett diamantkim 39 innstøpt deri. Hvis flere diamantkim anvendes, vil de være anbragt på adskilte steder med et kim på hvert sted. Diamantkim er fortrinnsvis 1/4 til 1/2 cm i størrelse og har en terningflate , men diamant kan krystalliseres fra enhver flate. Fortrinnsvis er hele undersiden av plugg 43 metallisk katalysator/oppløsningsmiddel dekket med anordningen for å undertrykke diamantkimdannelse over et på forhånd valgt område (f.eks. skive eller lag 42) unntatt eventuelt for et hull derigjennom, slik som vist i fig..12 - 16..

Isolasjonsanordningen 51 er til å begynne med anbragt mellom diamantkimet 39 og katalysator/oppløsningsmidlet for å forhindre for tidlig kontakt mellom disse, hvilket ville kunne føre til oppløsning (delvis eller fullstendig) av kimet 39. Den øvre overflate av diamantkimmaterialet 39 bør være orientert med en velformet flate, f.eks. en terningflate i kontakt med undersiden av skive 51.

Kimisolasjonsskive (barrierelag) 51 er fortrinnsvis fremstilt av platina, men kan være fremstilt av et metall valgt fra et hvilket som helst av metallene i gruppen bestående av platina, molybden, titan, tantal, wolfram, iridium, osmium, rhodium, palladium, vanadium, ruthenium, krom, hafnium, rhenium niob og zirkonium og legeringer av disse metaller. Ved å forhindre skade på den eksponerte kimflate forhindrer isolasjonen eller barrieremetallet at diamantvekst finner sted fra mer enn ett sted på kimflaten. Når en slik beskyttelse ikke er tilveiebragt, finner erosjon på diamantkimmaterialet sted. Tar man i betraktning et gitt diamantkim kan erosjonen enten fullstendig eller delvis ødelegge kimet. I det tidligere tilfelle kan diamantkimdannelse finne sted ved adskilte steder ved undersiden av katalysator/oppløsningsmiddelmassen, og i det sistnevnte tilfelle vil diamantvekst vanligvis forløpe fra forskjellige steder på det eroderte kim. Diamantveksten blir i hvert tilfelle lidende under mangel på koordinasjon mellom de multiple vekstdannelser, og det utvikles mange feil ved grenseflatene når disse separate vekstdannelser møtes.

I enhver gitt reaksjonskarkonstruksjon anvendes forskjellige metaller fes hvert av (a) katalysator/oppløsnings-midlet, (b) barriereiaget og (c) det kimdannelseundertrykkende lag. Det kimdannelseundertrykkende lag 42 er sammensatt av de ovenfor angitte materialer. Når skive 42 er fremstilt av glimmer, polykrystallinsk aluminiumoxyd med høy tetthet, kvarts, silikaglass eller annet materiale som tilveiebringer et lag med hvilket det smeltede kataiysator/oppløsningsmiddelsystem ikke vil legere og/eller ikke kan trenge gjennom, er det nødvendig å tilveiebringe huM 41 (vist i fig. 12 - 14) gjennom skiven 42 for å skape kontakt meilom smeltet katalysator/oppløsnings-middel bad og skive 51 for sluttelig kontakt med kimet 39. Skive ' 42 kan selvsagt være utstyrt med et hull når den fremstilles

av metall, om så ønskes.

Når det gjelder isolas jon^anordn-1 ngen for diamantkimmaterialet (skive 51), forhindres fysisk kontakt mellom katalysator/oppløsningsmiddelmetallet og diamantkimet inntil katalysator/oppløsningsmiddelmetallet 43 er smeltet og blitt mettet med carbon fra tilførselskilden. Tidsreguleringen er slik at denne carbonmetning finner sted før barrierelag 51 er oppløst i smeltet katalysator/oppløsningsmiddel. Så snart barriereiaget 51 blir oppløst i smeltet katalysator/oppløsningsmiddel, gir den avdekkede flate av diamantkim 39 vekstmønstere og ut-vikling av ny vekst kan finne sted.

Selv de av de oppførte isolasjonsskivematerialer som danner carbider som er stabile i forhold til diamant ved de anvendte trykk og temperaturer, fungerer bra da den carbid-dannende prosess er langsom i forhold til hastigheten med hvilken forrådet av katalysator/oppløsningsmiddelmetal1 blir mettet med carbon. Ethvert dannet carbid oppløses til slutt i forrådet av katalysator/oppløsningsmiddelmetall. Det var ingen tegn på at platina dannet et carbid som er mer stabilt enn diamant.

I hver av figurene 12 og 13 oppviser en utragende del av innstøpningsskiven 38 et barrierelag 51 i kontakt med undersiden av massen 43 av katalysator/oppløsningsmiddel. Det inn-støpte kim 39 er anbragt direkte under skiven 51 med en enkelt flate derav i direkte kontakt med skiven 51. I fig. 12 skal materialet som skive 38 er sammensatt av, adskille kimet 39

fra veggene med hull 41. Når således i de arrangementer som vist på fig. 12 og 13 den kimdannelseundertrykkende skive 42

er ikke-metalllsk (og en terningflate av kim 39 frembys for den nye diamantvekst), vil forholdet mellom diamantkimet og den nye vekst 54 være som vist i fig. 17. Det er fordelaktig at den nye vekst ikke omlukker kimet, fordi meget mindre av den nye vekst da behøver poleres vekk for å fjerne feil.

Det arrangement som er vist i fig. 11 og 14, muliggjør produksjon av ny diamantvekst som vist i fig.17 når det kimdannelseundertrykkende lag 42 er metallisk og derved oppløses av det smeltede katalysator/oppløsningsmiddel. Som tidligere angitt utvikles den viste diamantkonfigurasjon når en terningflate av kim 39 er i kontakt med barriereiaget 51. Fremspring 43' av katalysator/oppløsningsmidlet ligger tett an mot veggene i hull 41 og rager gjennom hull 41 for å kontakte barriere-

lag 51 over kim 39.

Fordelen ved anvendelse av både barriereiaget og det kimdannelseundertrykkende lag kan vurderes som følger: når bare barriereiaget anvendes, vil ca. 70% av alle forsøk på å fremstille enkle, store høykvalitetsdiamanter medføre spontan diamantkimdannelse og uheldig innvirkning av denne på ny diamantvekst fra det plantede kim. Enkelte ganger er en slik innvirkning ikke alvorlig, men som oftest vil veksten fra kimet skades alvorlig. Når et kimdannelseundertrykkende lag anvendes, er forbedringen så dramatisk at bare ca. 30% av forsøkene på

å fremstille enkle, store, høykvalitets diamanter vil ledsages av spontan diamantkimdannelse. Etter at naturlig glimmer ble tatt i bruk har spontan diamantkimdannelse faktisk ikke funnet sted i et eneste tilfelle.

De arrangementer som er vist i fig. 15 og 16, er anvendbare når faste, ikke-metalliske kimdannelseundertrykkende lagmaterialer slik som glimmer eller maskinerbart aliminium-

oxyd anvendes. I hvert tilfelle bores et lite hull 52 gjennom skive 42. Dette hull er fortrinnsvis i området fra 0,0254 til 0,508 mm i diameter. I det arrangement som er vist i fig. 15,

vil katalysator/oppløsningsmidlet ij 3 , når det smelter, passere gjennom hull 52 og etter en tid legeres med og smelte isolasjonsskive 51, slik at det derved når diamantkim 39 for å initiere diamantvekst opp gjennom hull 52 for å tilveiebringe kimdannelse for diamantvekst over barriereiaget 42. I det arrangement som er vist i fig. 16, opptar en tråd 53 hull 52. Tråden kan f. eks. v^re av nikkel eller Fe-Al- eller Fe-Ni-legerinc og strekke seg gjennom skive 42 for så å kontakte både plugg 43 og isolasjonsbarriere 51. Ettersom katalysator/oppløsningsmidle 43 og deretter materialet i tråden 53 smelter og carbon oppløses deri, legeres isolasjonsbarrieren 51, og diamantvekst starter for å frembringe et kim ved den øvre side av barriereiaget 42.

Anordningene for a opprettholde trykkforskjell mellom

den varme del av cellen (ca. halvveis opp cellens høyde) og diamantlommen er beskrevet tidligere. Illustrerende prosesser som angår dette foretrukne trekk, er beskrevet i eksempler 17 - 24.

I en femte foretrukken utførelsesform vil reaksjonskaret innbefatte minst én barriere i kombinasjon med en ytterligere komponent valgt fra dopemi-Zier, gettere, kompensatorer, blandinger derav og lignende for å tilveiebringe farver, mønstere, farvesoner og lignende i diamantproduktet. I fig. 18 er reaksjonskaret 30 av den generelle type og konstruksjon som er beskrevet tidligere..

I fig. 18 avgrenser sylinder 37 sammen med plugg 36 og sylindrisk plugg 46 et rom 55 beregnet på å inneholde en sylindrisk satsanordning som f.eks. vist i hver av fig. 19 - 22. Disse satsanordninger tillater (a) innføring av mengder av bor og aluminium for å muliggjøre fremstilling av "Stjerne"-diamant og/eller (b) suksessiv innføring i den voksende diamant av varierende farve i den ene store diamantkrystall. Et hvilket som helst av elementene og kombinasjonene som er beskrevet overfor, kan anvendes for dannelse av en slik satsanordning .

Ved samtidig å tilgjengeliggjøre for den voksende diamant minst én del pr. million (ppm) bor og 2500 ppm aluminium, basert på vekten av det anvendte katalysator/oppløs-ningsmiddel, og å orientere diamantkimet omhyggelig kan en diamantkrystall av smykkekvalitet fremstilles symmetrisk rundt en terningakse som oppviser et farveløst eller hvitt par av tredimensjonalt lineært løpende bånd som krysser hverandre når krystallen .sees langs den gitte symmetriakse, idet resten av krystallen har en blå farve. Det totale ut-seende av mønsteret synes å være symmetrisk.

I tillegg kan det dannes krystaller hvor farvet diamantvekst er omsluttet av farveløs diamantvekst. På lignende måte kan den første farvede diamantvekst være omsluttet av en andre farvet diamantvekst. Et utall av farvekombinasjoner kan erholdes avhengig av valget av dopemidler, gettere og/ eller kompenserende materialer. Eksempelvis vil nitrogen gi farveverdier varierende fra gule til grønne diamanter, mens bor vil gi dyp blåfarvede diamanter og aluminium, titan og zirkonium begge gir farveløs diamantvekst.

Vanligvis er det tilstrekkelig mye nitrogen tilstede

i det metalliske katalysator/oppløsningsmiddel og alle reaksjonskarkomponenter til. å farve diamanten sterkt gul enten den fremstilles ved tynnfilmmetoden eller temperaturgradient-metoden. Typisk nitrogeninnhold er 30 - 40 ppm. Ved utførelse av foreliggende oppfinnelse, hvor diamanter fremstilt ved tynnfilmmetoden vanligvis anvendes i carbontilførselsmassen, vil

således den resulterende diamant være gul i farve (rik på nitrogen) i fravær av getterstoff, kompensator og/eller dopemiddel i systemet.

Bor (og selvsagt nitrogen) virker som et dopemiddel. Aluminium virker som en getter for nitrogen, og hvis tilstrekkelige mengder av aluminium er tilstede, vil dette inngå i gitteret til den voksende diamant og virke som en kompensator for slikt nitrogen som kan inntre i gitteret. Titan og zirkonium virker begge som gettere.

I motsetning til den tidligere lære er det funnet at bor ikke lett vil gi diamanten en blå farve alene. Hvis således så lite som 100 ppm aluminium er tilstede i det smeltede katalysator/oppløsningsmiddel, vil 20 microgram bor bevirke at diamanten får en dyp blå farve. Med intet aluminium tilstede vil diamantveksten være gulgrønn, med mindre større mengder (over 20 microgram) er tilstede i katalysator/oppløs-ningsmiddelbadet. Da kommersielt bor inneholder så meget som 900 ppm aluminium, vil slikt bor uvegerlig gi en blå-farvet diamant hvis det anvendes, i særdeleshet da aluminium vanligvis er tilstede som en urenhet i katalysator/oppløs-ning smidde Ime tal let.

I US patentskrift 3 148 161 (spalte 5, linjer 42 - 46 og spalte 9, linjer 43, 46) er det angitt at anvendelse av bor i en konsentrasjon fra 0,1 til 20 vekt% av grafitten (som omdannes til diamant) vil føre til en farvenyanse varierende fra blå til dyp purpur, men det anvendte bor inneholder spor av urenheter innbefattende aluminium. Beregninger av den totale mengde av boradditiv som angis i ovennevnte US patentskrift (idet det antas at >\ ét ble benyttet kommersielt bor, som har et 900 ppm innhold av al'uvinium) , slår imidlertid fast at den maksimale mengde av aluminium som vil bli innført i systemet ifølge ovennevnte US patentskrift, er 200 ppm (basert på massen av katalysator/oppløsningsmiddel), mens den minste mengae av aluminium som er nødvendig for "stjerne"dannelse (kryssende hvite bånd i :. t blått felt) synes å være ca. 2500 ppm (basert på massen av katalysator/oppløsningsmiddel).

Dannelsen av suksessive farver undt_r veksten oppnåes ved bruk av kombinasjoner av dopemidler, getterstoffer og/ eller kompensatormaterialer anordnet i satsanordningsstruk-turen, idet startvekstmediet vil gi en på forhånd valgt farvet diamantvekst, hvoretter getterstoffet og/eller kompensator-materialet etter en på forhånd bestemt tid med diamantvekst vil inntre i det smeltede katalysator/oppløsningsmiddel og bevirke farveløs vekst (eller vekst av en annen farve, om så ønskes) som omslutter den opprinnelige farvede vekst i en uavbrudt sekvens.

Satsanordning 40 (vist i fig. 19) er blitt anvendt for tilfredsstillende fremstilling av mørkeblå stjernediamanter. Ved innføring av et lag av ikke-metallisk kimdannelseundertrykkende materiale, f .eks. glimmer (som beskrevet i forbindelse med fig. 20 i det etterfølgende) kan imidlertid det arrangement som er vist i fig. 19, gjøres mer pålitelig.

Kim 39 er beskyttet av kimisolasjonsskive (barriereiaget) 51, som fortrinnsvis er fremstilt av platina, men som kan være fremstilt av et hvilket som helst av de ovenfor beskrevne metaller for dette formål.

Ved anvendelse av isolasjonsskive 51 forhindres fysi-kalsk kontakt mellom det smeltede forråd av katalysator/opp-løsningsmiddelmetall og diamantkimet inntil forrådet av katalysator/oppløsningsmiddelmetal1 43 er blitt mettet med carbon fra carbontilførselsmassen 44. Tidsreguleringen er slik at denne carbonmetning finner sted før barrierelag 51 er opp-løst ved legering med det smeltede katalysator/oppløsnings-middel. Når en slik beskyttelse ikke er tilveiebragt, finner erosjon på diamantkimmaterialet sted som tidligere beskrevet.

Kim 39 er innstøpt i innstøpningslag 38 med en terningflate eksponert og i kontakt med skive 51 for å tilveiebringe en sikker "mal" for den nye diamantvekst. Massen 43

av metallisk katalysator/oppløsningsmiddel er anbragt derover med skive 51 i kontakt med undersiden derav og et lag 44 av carbontilførselsmateriale (f.eks. diamant plus en mindre mengde grafitt over katalysator/oppløsningsmidlet) inneholdende bor.

Bor-inneholdende diamant for lag 44 kan lett fremstilles som beskrevet i det tidligere angitte US patentskrift 3 148 161 under anvendelse av kommersielt bor inneholdende tilstrekkelig mye aluminium. Anvendelse av bor-tilsatt diamant foretrekkes, da slike små konsentrasjoner av bor er nød-vendige (i overskudd av 1 ppm på basis av vekten av katalysator/oppløsningsmiddel) , men bor kan imidlertid også til--føres på andre måter. Således kan en liten krystall av bor eller borcarbid være anbragt i lag 44.

Det nødvendige aluminiuminnhold (minst 0,25 vekt% av katalysator/oppløsningsmidlet) kan best tilveiebringes ved anvendelse av en aluminiumlegering av katalysatormetallene, f.eks. Fe + 3 vekt% Al.

Ettersom drifttrykk og - temperatur nåes, vil det metalliske katalysator/oppløsningsmiddel 4 3 i kontakt med enhver grafitt i carbontilførselskilden 44 smelte og omdanne denne grafitt til diamant. Katalysator/oppløsningsmidlet i kontakt med diamanten i lag 4 4 smelter ved svakt høyere temperatur

og oppløser diamanten. Det smeltende katalysator/oppløsnings-middel trenger inn i lag 44, og smeltingen forløper fra toppen og nedover i lag 43. Når på denne måte det carbonrike smeltede katalysator/oppløsningsmiddel når og legeres med lag 51, inneholder det allerede bor og aluminium klar til inntreden i den nye diamantvekst som initieres når det smeltede katalysator/ oppløsningsmiddelmetal1 når det kaldere diamantkim 39 og avsetter carbon fra løsningen. Noe av aluminiumet opptar noe av nitrogenet i systemet, mens noe av aluminiumet inntrer i diamantgitteret. Noe av aluminiumet som inntrer i gitteret, virker som en kompen.ator for eventuelt nitrogen i gitteret og binder nitrogenatomelektronene, hvorved disse nitrogenatomer blir optisk inaktive. Resten av aluminiumet er ukompensert,

og av ukjent grunn oppsamles dette i langstrakte tynne vertikalt løpende plane soner i et krysset forhold til hverandre. Disse soner fremtrer som hvite i motsetning til den mørkeblå farve av resten av diamantveksten. Når diamanten sees i retning av kubusaksen av symmetrien (dvs. fra toppen av diamanten, etter som den dannes i lag 4 3), fremtrer disse soner som kryssende bånd vinkelrett på hverandre og løpende mot motsatte hjørner av krystallen.

Satsmontasjene i fig. 20 - 22 er arrangert for fremstilling av suksessive farver under uavbrudt vekst av én enkelt krystall. I hver av disse cellemontasjer er kimet 39 beskyttet i isolasjonsskive 51 og innstøpt i lag 38 med den ønskede orientering. Carbontilførselskilden (unntatt tilsetninger av dopemiddel, getter og/eller kompensator) er den samme som beskrevet for lag 44. Likeledes anvender hver av disse satsmonta-sjer diamantkimdannelseundertrykkende lag 42 (eller 42') .

Kimdannelseundertrykkende lag 42 er sammensatt av et materiale som er forskjellig fra både det anvendte katalysator/ oppløsningsmiddel og den anvendte isolasjonsskive i en hvilken som helst gitt satsmontasje og er valgt fra den gruppe av materialer som er beskrevet tidligere. Fordelen ved anvendelse av både barriereiaget og det kimdannelseundertrykkende lag er blitt beskrevet tidligere.

I fig. 20 er foranstaltningen for produksjon av suksessive farvesoner de separate plugger 4 3, 56 av katalysator/ oppløsningsmiddel, doble carbontilførselslag 44, 57 og getter og/eller kompensatorskive 58.

For med dette arrangement å fremstille en diamantkry-

stall med en gul eller grønn kjerne dekket med farveløs vekst,

skal den metalliske katalysator/oppløsningsmiddellagplugg 43

være hovedsakelig fri for aluminium, titan, zirkonium og mangan, men kan ellers være av et hvilket som helst av de anvendbare katalysatormetaller og legeringer. For en gul kjerne skal carbontilførselslaget 44 ha diamant med ukorrigert nitrogeninnhold. På lignende måte vil katalysator/oppløsningsmiddel 43 inneholde en normal nitrogenforurensning. I fravær av spesielle bestrebelser på å fjerne det nitrogen som normalt er tilstede,

vil dette nitrogeninnhold påvirke den umiddelbare diamantvekst som utvikles på kim 39 og gi denne opprinnelige vekst en dyp gul farve. Farveløs vekst kan deretter skapes ved anvendelse av ikke-aluminium-holdig katalysator/oppløsningsmiddelplugg 56 i kombinasjon med en skive 58 av aluminium, titan eller zirkonium. En høy konsentrasjon av aluminium (fra 1 til 10 vekt% av det metalliske katalysator/oppløsningsmiddel) vil sikre farveløs vekst så snart carbontilførselskilden i lag

4 4 er brukt opp.

Hvis gul farve skal utvikles først, må det tas for-siktighetsregler for å sikre en forsinket diffusjonsinntreden av enhver betydelig mengde av aluminium, titan eller zirkonium inn i smeiten før den gule vekst tilfredsstillende er blitt oppnådd. På det tidspunkt da skive 58 har legert inn i katalysator/ oppløsningsmiddel 56 og arbeidet seg gjennom diffusjonsbanen dannet av carbontilførselslag 44, vil en tilstrekkelig tidsfor-sinkelse være oppnådd for en gul kjernedannelse.

For å utvikle en grønn kjerne er meget store konsentrasjoner av nitrogen nødvendig. Dette kan oppnåes ved innføring av nitrogenforbindelser, f.eks. jernnitrid, som vil spalte og frigi ytterligere nitrogen til katalysator/oppløsningsmiddel-systemet (lag 43).

Forskjellige arrangementer kan anvendes for å øke tidsforsinkelsen før inntreden av getterstoffet og/eller kompensatoren i det diamantdannende medium. Således kan getterstoffet og/eller kompensatoren være forsenket inn i trykk-over-førende plugg 38 eller plugg 46 i form av en tråd, stav eller barre eller være fraskilt fra katalysator/oppløsningsmidlet av et tynt lag av et høytsmeltende metall, f.eks. platina, iridium eller wolfram.

For å tilveiebringe en blå diamantkjerne dekket med farveløs vekst må det tas forholdsregler for at bor og aluminium er tilstede samtidig for den umiddelbare vekst og at alt av boret anvendes før katalysator/oppløsningsmiddelplugg 56

kan forurenses. Katalysator/oppløsningsmidlet for begge lag 43 og 56 skal inneholde aluminium (f.eks. jern +1-8 vekt% aluminium). Alt av bordopemidlet skal være lokalisert i det nedre omr<s>de av carbo-tilførselslag 44. Ikke-metalliske kimdannelseundertrykkende materialer, f.eks. glimmer, bør anvendes for lag 42. Forholdsregler for den farveløse ettervekst vil værede samme som beskrevet for kombinasjonen gul/farveløs vekst.

Arrangementet ifølge fig. 21 er utformet på mer eller mindre samme måte for fremstilling av en gul eller grønn kjerne som det arrangement som er vist på fig. 20. Ett enkelt kataly-satorlag 4 3 er anvendt i kombinasjon med separate carbontil-førselslag 44, 57 med getter og/eller kompensatorskive 58 anbragt mellom disse. Sammensetningen av katalysator/oppløsnings-middel 43 og næringslag 44 vil bestemme hvorvidt kjernen i den nye diamantvekst vil være gul eller grønn som beskrevet i forbindelse med fig. 20.

Arrangementet ifølge fig. 22 er spesifikt for fremstilling av en blå kjernediamant for anvendelse av en konsentrasjon av boratomer lokalisert i skive 59 som en legering eller en

forbindelse av bor.

Etterfølgende vekst (etter at boratomene er brukt opp) kan være farveløs, lys gul eller grønn om ønsket. Katalysator/oppløsningsmiddelmetallag 43 inneholder fortrinnsvis aluminium for å tillate blåfarving av boret. Det kimdannelse-undertrykkende lag 42 skal være ikke-metallisk. Carbontil-førselslag 44 i kombinasjon med mengden av aluminium . i lag 43 vil bestemme hvorvidt den senere, vekst vil være farveløs, lys gul eller lys grønn. Hvis en tilstrekkelig stor konsentrasjon av aluminium er tilstede i katalysator/oppløsningsmiddellag 43, kan også den opprinnelige vekst være en "stjerne".

Anordninger for oppnåelse av temperaturforskjellen mellom den varme del av cellen (ca. halve cellens høyde) og diamantlommen er tidligere beskrevet.

Foretrukne katalysator/oppløsningsmidler for utøvelse

av de farve-givende trekk er Fe, FeNi, FeNiCo, FeAl, Ni-Al, Fe-Ni-Al og Fe-Ni-Co-Al. Foretrukne kimdannelse-undertrykkende midler er naturlig glimmer og kobolt, og den foretrukne isolasjonsbarriere er av platina. Når naturlig glimmer anvendes, skal den først brennes som tidligere angitt. Når legeringer med høyere jerninnhold anvendes, har de fremstilte diamanter en lysere gul farve. Med større mengder av Ni og/eller Co har de resulterende diamanter en dypere gul farve.

For den beskrevne reaksjonskarkonstruksjon er det foretrukket trykkområder fra 55 til 57 kilobar, og foretrukne temperaturer er i området 1330 - 1430°C.

I hvert av de etterfølgende eksempler 1 - 5 ga reaksjons-karkonfigurasjonen en temperaturforskjell i området 20 - 30°C, mens carbontilførselsmaterialet besto av 1 vektdel SP-1 grafitt og 3 vektdeler 325 mesh diamant fremstilt ved tynnfilmmetoden. De anvendte kim var 1/4 til 1/2 mm, katalysator/oppløsnings-midlet var 70Ni30Fe, og temperaturene ble målt under anvendelse av et Pt/Pt 10 Rh element.

Eksempel 1 (Sammenligningseksempel)

Minst 10 gule diamantkrystaller vokste sammen til en klump. Det 1/2 mm store kim var oppløst noe og hadde vokst tilbake. Krystallene var enten oktraedriske eller kubisk-oktaedriske.

Eksempel 2

Bare én gul diamantkrystallvekst ble utviklet fra diamantkimet. Det var ingen uekte kimdannelse på diamanten. Krystallen var et oktaeder med små terningsflater ved hjørnene.

Eksempel 3

Enkel kimvekst ble utviklet som var velformet, symmetrisk og relativt feilfri. Krystallen var et gult..oktaeder med små terningsflater ved hjørnene. En liten diamantkrystall ble utviklet hvor undersiden av plugg 43 ikke var dekket med jern-skive 42. Dette forsøk viste de kimdannelseundertrykkende evner til Fe. Det var imidlertid delvis oppløsning av kimet før ny vekst startet.

E ksempel 4 (Sammenligningseksempel)

Trykket, temperaturen av vekten av carbontilførsels-materialet var de samme som i eksempel 1, og intet kimdannelse-undertrykkende lag ble anvendt. Tiden var 2 4,5 timer. Som i eksempel 1 ble det utviklet en klump av gule krystaller på grunn av spontan kimdannelse.

Kimet vokste til ca. 2x2 mm med en diamantutvekst festet,dertil. Også fem andre individuelle små krystaller ble utviklet på grunn av kimdannelse.

Eksempel 5

En enkel lys gul krystall ble dannet fra kimet. Det var ingen spontan kimdannelse på diamanten. Feilinnholdet var minimalt. Krystallen hadde et meget lavt nitrogeninnhold.

Forsøk med forskjellige reaksjonskarkonstruksjoner har vist den glimrende kimdannelse-undertrykkende evne til cobolt og naturlig1 glimmer og den brukbare kimannnelse-undertrykkende evne til wolfram. På samme måte er det blitt demonstrert at syntetisk glimmer, platina, nikkel og molybden er uegnede som kimdannelse undertrykkende materialer.

I hvert av de følgende eksempler 6 og 7 ga reaksjons-karkonfigurasjonen en temperaturforskjell i området 20 - 30°C. Carbontilførselsmaterialet besto av 1 vektdel SP-1 grafitt (National Carbon Company) og 3 vektdeler 325 mesh diamant fremstilt ved tynnfilmmetoden. Det anvendte kim var 1/4 til 1/2 mm, katalysator/oppløsningsmidlet var 70Ni30Fe, og temperaturene ble målt under anvendelse av et Pt/Pt 10 RH termoelement.

Eksempel 6

Til tross for molybdenskivens manglende evne som kimdannelseundertrykkende materiale ble en vakker, gul, klar vekst utviklet fra kimet. Fire andre diamantkrystaller vokste spon-tant, kolliderte og innvirket ødeleggende på den optimale kimvekst. Taggen fungerte bra til å forhindre feildannelse i veksten som foregikk inn i bad 43. Kimveksten var i form av et avskåret oktaeder med modifiserende terningflater.

Eksempel 7

En vakker klar lys gul krystall vokste fra diamantkimet.

Ingen spontan diamantkimdannelse fant sted. Krystallen var

i form av et avskåret oktaeder med modifiserende terningsflater. Taggen 43' forhindret på vellykket måte at der oppsto noen feildannelse av betydning i den første vekst av krystallen.

Ved således å utnytte muligheten til å undertrykke diamantkimdannelse og eliminere sprekkforplantning fra hovedlegemet av den nye vekst ble en meget betydelig forbedring i den regulerte vekst av større diamanter fra diamantkimmaterialet oppnådd.

Hvert av de følgende eksempler er representativt for

for smykkekvalitetsvekst. I hvert av eksemplene 8-12 var drifts-trykket 57 kilobar, mens driftstemperaturen var 1500°C og

carbontilførselsmateriallaget 44 var en blanding av grafitt og diamant i et forhold på 1:3 (bortsett fra at det ble tilsatt mindre mengder av andre materialer i eksemplene 8, 10 og 11).

Eksempel 8

En enkel klar diamant (nesten vannklar) med få indre feil ble fremstilt fra den tråd-induserte kimvekst. Krystallen var :et avskåret oktaeder med modifiserende terningsflater.

Eksempel 9

Den enkle diamant fremstilt fra den tråd-induserte kimvekst var meget lys gul med bare noen få mindre feil. Denne krystall fosforescerte og ga en blå glød under lys med bølge-lengde 2537 Å. Denne diamant var ikke halv-ledende, hadde et lavt nitrogeninnhold og var et avskåret oktaeder med modifiserende terningsflater.

Eksempel 10

Den enkle diamantkrystall ble erholdt fra kimdannelse tilveiebragt av nikkeltråden. Undersøkelser viste at nikkelstål-tråd ikke hadde kontaktet innholdet i diamantlommen 39'. Krystallen var dyp blå, halv-ledende, fosforescerte svakt og var et avskåret oktaeder med modifiserende terningsflater.

i Eksempel 11

Den enkle krystall utviklet fra den tråd-induserte kimdannelse var lys blå i farve, halv-ledende og -fosforescerte klart under 2537 Å ultrafiolett lys. Denne krystall varet avskåret oktaeder • med modifiserende terningsflater.

Eksempel 12

Seks farveløse diamantkrystaller ble dannet (én

fra hver tråd-indusert kimdannelse). De seks diamanter vokste i parallell krystallografisk orientering med en oktaedrisk flate opp.

I hvert av de følgende eksempler 13 - 17 var drifts-trykket 55 kilobar, mens driftstemperaturen var i området 1450 - 1500°C bg lengden av forsøket var 5 timer. Carbontilførsels-laget 44 var en blanding av grafitt og diamant i et forhold på 1:3, og katalysatormassen var av nikkel-jernlegering (51 Ni 49 Fe). I alle eksempler hvori tråd tjente som vekstbane, ble nikkeltråd anvendt, og en skive av Fernico (FeNiCo) legering (0,05 mm tykk, 4,75 mm i diameter) var anbragt i kontakt med og mellom vekstbanene og diamanten i kimlomme 39'. I enkelte tilfeller ble den nødvendige kontakt ikke oppnådd ved oppfyl-lingen av cellen og ingen vekst fant sted. Kimlommen 39' besto av 0,025 g av en blanding av diamant og grafitt i et vekt;-forhold på 3:1. I alle eksempler varierte de dannede krystaller fra de begrensede diamantvekstbaner fra 3/4 til 1 mm i størrelse og hadde en klar gul farve.

Eksempel 13

Eksempel 14 Eksempel 15

Eksempel 16

Lengden av den begrensede diamantvekstbane fra kimlommen til katalysator/oppløsningsmiddelbanen er ikke kritisk så

lenge avstanden til diamantiommen 39' fra det varme område i reaksjonskaret tillater en temperatur som er høy nok til å smelte katalysator/oppløsningsmiddelbanen (f.eks. tråder 47, 48) hvor det kontakter diamantkimmaterialet. Den foretrukne lengde er i området 0,5-1 mm.

I hvert av de følgende eksempler 17 - 24 ga reaksjonskar-konfigurasjohen en temperaturforskjell i området på 20 - 30°C. Carbontilførselsmaterialet besto av 1 vektdel Sp-1 (National Carbon Company) grafitt og 3 vektdeler 325 mesh diamant fremstilt ved tynnfilmmetoden. De anvendte kim var 1/4

til 1/2 mm, og temperaturene ble målt ved anvendelse av et Pt/Pt 10 Rh termoelement.

Eksempel 17

Fire gule krystaller ble fremstilt, idet én vokste fra hvert av de fire kim. Ett kim dannet en klump. Den nye diamantvekst varierte i størrelse fra 10 - 20 mg (1/20 - 1/10 karat). Krystallene hadde små innleiringer nær én flate men var klare. I hvert tilfelle var krystallformen kubisk-oktaedrisk med modifiserende terningsflater. Eksempel 18

Fem lysegule krystaller ble erholdt, én utviklet fra hvert kim. Den nye vekst hadde en midlere størrelse på 1,52 mg og hver målte ca. 1 mm langs en terningsflate. Krystallene var velformede,klare og relativt friefor innleiringer. I hvert tilfelle var krystallen kubisi-oktaedrisk med modifiserende terningflater.

Med multippelkimdannelse reduseres kravet til kimdannelseundertrykkende midler, og med sikre driftsbetingelser og en kimtetthet pa 1 kim pr. 8 - 10 mm 2 kan den kimdannelse-undertrykkende skive utelates.

Eksempel 19

Diamantkimveksten var gul og av smykkekvalitet. Tre andre meget små krystaller vokste ut av det område som var opp-tatt av kimveksten. Krystallformen var et avskåret oktaeder med modifiserende terningflater.

Eksempel 2 0

En enkel vakker gul krystall av smykkekvalitet ble utviklet. Krystallformen var kubisk-oktaedrisk.

Eksempel 21

En enkel vakker gyldangu.l smykkediamant ble fremstilt med en kubisk-oktaedrisk form med modifiserte oktaedriske kanter.

Eksempel 22

En enkel vakker, nærmest farveløs krystall ble utviklet. Krystallformen var avskåret kubisk-oktaedrisk med modifiserende terningsflater, og som fosforescerte i 1 time etter å ha vært utsatt for lys med bølgelengde på 2537 Å, som ga høy, hovedsakelig flat transmisjon av ultrafiolett lys fra 2250 Å - 3,30 pm og fra 6,00 um til 50 um, som var halv-ledende og termo-luminiserende. Den termiske ledningsevne til krystallen ved 80°K var minst 180 watt/cm°K.

Eksempel 23

I tillegg til kimvekst vokste det opp en liten (22 mg ) diamantkrystall som i noen grad hemmet kimveksten, som var farve-løs og av smykkekvalitet. Sprekkene ble polert ut og ga en krystall på 19 4 mg. Krystallen oppviste fosforescerende egenskaper, ultrafiolett transmisjon, elektrisk ledningsevne, termisk ledningsevne og termolumniscens som i eksempel 22. Slitefastheten var meget høy. Da meget små mengder diamant ble fjernet ved utførelse av slipehjultesten, var målingene vanskelige å utføre nøyaktig da store mengder av corundum ble fjernet. Testresul-tatene ga slipeforhold varierende fra 120 000 til 168 000 i 3 g diamantkim.

Eksempel 2 4

En enkelt nærmest feilfri krystall ble dannet. Krystallen hadde form av et avskåret oktaeder. I tillegg til (111)-flatene hadde krystallen kubusflater (100), dodekaederflater

(110) og (113) flater.

Forsøk har fastslått at syntetisk glimmer, platina, nikkel og molybden er uegnede som kimdannelse-undertrykkende materialer.

Etter avslutning av hvert forsøk og reduksjon av temperatur og trykk for å muliggjøre fjerning av reaksjonskar 30,

løsner den nye diamantvekst innstøpt i det stivnede metalliske katalysator/oppløsningsmiddel 43 lett fra kimflaten. De således fremstilte diamanter fjernes lett ved oppbrekking av massen 43. Angivelsen av diamantkimet er skjematisk,og intet for-søk har vært gjort for å v se den foretrukne plassering.

De krystaller som erholdes ved utførelse av foreliggende oppfinnelse utvikles i symmetrier som bestemmes av den flate av Rimkrystallen som velges som mønster. Således vil en diamantkrystall vokset fra en terningflate (100) av kimkrystal-let være symmetrisk rundt terningaksen, og når det gjelder nærmest farveløse diamanter, vil en slik krystall føre til et unikt mønster med fosforescens som tidligere beskrevet. Selv om krystaller som er symmetriske rundt andre akser,kan dannes under anvendelse av andre flater av kimkrystall [f.eks. (110), (111),

(113)] for å angi vekstmønsteret, gir diamanter som er symmetriske rundt terningaksen mest krystall og best kvalitet for et gitt reaksjonscellevolum under en gitt veksttid. Det er et viktig trekk ved foreliggende oppfinnelse at kimkrystallen angir vekstmønsteret for, men ikke utgjør noen del av den nye diamantvekst og derved sikrer symmetrisk vekst uten at det indre formørkes som følge av tilstedeværelsen av et kim.

I hvert av de følgende eksempler 25 - 29 ga reaksjons-

o karkonfigurasjonen en temperaturforskjell i området 20 - 30 C, mens carbontilførselsmaterialet besto av 1 vektdel SP-1 grafitt og 3 vektdeler 325 mesh diamant fremstilt ved tynnfilmmetoden. De anvendte kim var 1/4 til 1/3 mm, og temperaturene ble målt under anvendelse av et Pt/Pt 10 Rh termoelement:

Eksempel 2 5

Diamantkimveksten var mørk blå med de karakteristiske kontrastdannende kryssende bånd, eller soner, som tidligere er beskrevet. Denne høykvalitetskrystal1 hadde få indre feil, fosforescerte i en viss grad etter eksponering overfor 2537 Å lys og var sterkt halv-ledende. En annen liten krystall vokste ut fra vekstfeltet av den store kimkrystall. Den store diamant var et avskåret oktaeder med modifiserende terningsflater og var symmetrisk om den terningakse som var parallell med vertikalaksen av kar 30.

Eksempel 2 6

En enkelt krystall ble erholdt<,> som viste seg å være relativt feilfri under 30 gangers forstørrelse. Farven var •mørk blå med et hvitt kryss enda mer distinkt enn i den diamant som ble fremstilt i eksempel 25. Også denne krystall fosforescerte i en viss grad, unntatt fra båndet, som var mørkt, og stenen var sterkt halv-ledende. Diamanten var et avskåret oktaeder med modifiserende terningflater.

Når lignende forsøK ble utført under anvendelse av et hovedsakelig aluminium-fritt system,var kimkrystallveksten gul-grønn.

Eksempel 2 7

En gulgrønn diamantkrystall vokste fra diamantkimet

og besto av et oktaeder med små terningflater ved hjørnene. Borinnholdet ble funnet å være høyt og uensartet, og krystallen var sterkt halv-ledende. Krystallen oppviste ingen absorpsjon i det infrarøde område ved en bølgelengde på 2800 cm , hvilket indikerte at det ikke var noe ikke-ionisert (ukompensert) aluminium tilstede.

Eksempel 28

En gulgrønn diamantkrystall ble fremstilt som hadde mørke blågrønne stripedannelser. Borinnholdet (av størrelses-ordenen 500 ppm) var høyt men ikke jevnt. Krystallformen, den elektriske ledningsevne og IR-absorpsjonen var som for pro-duktet i eksempel 27.

Gulgrønne diamanter som finnes i naturen, er ikke halv-ledende. Slike krystaller har den unike kombinasjon av størrelse, halv-ledningsevne, styrke og manglende absorpsjon i strålings-området 3,30 pm - 3,75 pm. Som sådanne kan disse krystaller anvendes som innstøpte vinduer i høytrykksreaksjonskar og anvendes for å overvåke absorpsjonsbånd for materialer under trykk og regulert spenning.

Eksempel 2 9

Anvendelse av for lav temperatur førte til en sammenklumpet vekst. Enkelte krystaller var farveløse, enkelte gule og én enkelt krystall hadde en farveløs del nær en gul del. Startveksten var den gule farve. Alle diamanter var små, ca.

1 mm i størrelse.

Diamanter av smykkekvalitet er blitt fremstilt ved ut-førelse av foreliggende oppfinnelse som praktisk talt farve-løse diamanter og som diamanter med klar lysegul og klar mørke-gul farve. "Farveløs" anvendes vekslende med "hvit" og "vannklar". De nærmest farveløse krystaller er typisk avskåret oktaedriske med modifiserende terningfla ter, mens de gule stener er velutviklede oktaedere med mindre avskjæringer og med et hjørne forminsket. Den sistnevnte form er glimrende for å oppnå en høy vekt når diamanten kuttes som en rund briljant.

De nærmest farveløse stener ble gradert fra H til J på GIA graderingsskalaen, som har verdier varierende fra D (farveløs) til N (gul). Tilfeldige innleiringer av katalysator/ oppløsnings.middel fant sted i krystallene når de ble fjernet fra apparaturen, men mange av disse kan kuttes vekk ved fremstilling av en formet diamant.

Under 45 % forstørrelse kan dis^e krystaller oppvise ørsmå hvite innleiringer som ikke er synxige under en 10 gangers standard forstørrelse som anvendes ved gradering av diamanter. Disse ørsmå innleiringer påvirker ikke krysta].lens brillians og betraktes ikke som feil.

Den nærmest farveløse diamantvekst fra en terningflate fosforescerer etter bestråling med ultrafiolett lys (2537 Å) med et karakteristisk mønster hvori et par av ikke-fosforescerende lineære bånd som krysser hverandre, danner kontrast til resten av krystallen, som fosforescerer. I motsetning til de naturlige diamanter som fosforescerer, fosforescerer disse nærmest farveløse diamanter i meget lang tid, f.eks. i et tidsrom av størrelsesordenen 1 time. De fosforescerende diamanter har alle lavt nitrogeninnhold.

Selv om alle naturlige stener som har en gradering på G eller lavere (mot N) i GIA farve-graderingssysternet har et stort ultrafiolett absorpsjonsbånd ved 4155 Å, oppviser ingen av de nærmest farveløse H-J- diamanter fremstilt ifølge oppfinnelsen noe slikt ultrafiolett absorpsjonsbånd, dvs. disse krystaller gir en hovedsakelig flat respons fra 2250 Å til mer enn 4500 Å. Dette fenomen gjør slike stener spesielt egnede som spektrometerkrystaller for overvåking av stråling i det synlige til det ultrafiolette, område.

Videre er de farveløse diamanter i H-J-området (GIA-skala) fremstilt ifølge oppfinnelsen gode halv-ledere når spor av bor er tilstede. Mer bor (ca. 1/4 ppm eller mer) begynner å farve krystallen blå. Kombinasjonen av krystall-størrelsen (større enn 1/20 karat ,særlig de som er større enn 1/5 karat), halv-ledningsevnen og den nærmest farveløse klarhet som disse diamanter gir, og som ikke observeres i naturlige diamanter, representerer glimrende muligheter for konstruksjon av høytrykkceller for overvåking av absorpsjonsbånd til materialer som samtidig underkastes høyt trykk og elektrisk spenning. Således kan slike store, nærmest farve-løse enkelt-krystalldiamanter anvendes som innstøpte vinduer i høytrykksceller for å kunne foreta observasjoner under ut-førelse av høytrykksprosesser.

Åpenbart på grunn av (a) forskjellen i nitrogeninnhold og (b) måten hvorpå nitrogenet er tilstede, oppviser de nærmest farveløse diamanter fremstilt ifølge oppfinnelsen en meget bedre termisk ledningsevne ved temperaturer i området fra 10 - 100°K og en slipefasthet som er bedre enn hva som finnes for naturlige enkeltkrystalldiamanter som underkastes slipetesten. Nitrogeninnhold på mindre enn 10<16>

atomer nitrogen pr. cm 3 ( mindre enn 20 ppm N) i diamantene fremstilt ifølge oppfinnelsen er særlig effektive til å øke både den termiske ledningsevne og slitefastheten.

Således vil den termiske ledningsevne til naturlig diamant ikke overskride 120 watt/cm°K (ved 80°K), mens nærmest farveløse diamanter fremstilt ifølge oppfinnelsen har en verdi på 180 watt/cm°K ved samme temperatur.

I slipehjul testen beregnes slipefastheten (slipefor-holdet) som volumet av corundum (fjernet fra et 60 korns corundumhjul) i kubikkcentimeter fjernet pr. gram forbrukt diamant. Under testen er diamanten orientert med den mest resistente sliperetning [(110)-retningen av terningflaten]

mot hjulet. Under testen var innskyvningen mot corundum-

hjulet 0,0254 mm for hver passering. En nærmest farveløs diamant fremstilt ifølge oppfinnelsen (mindre enn 20 ppm N-innhold) oppviste slipeforhold varierende fra ever 52,4 • lo <4>til 4 3

32 7 . 10 cm /g diamant, mens farveløse naturdiamanter ga

4 4 3 slipeforhold varierende fra 19,7.10 til 104,9.10 cm /g diamant .

De nærmest farveløse diamanter fremstilt ifølge oppfinnelsen fluorescerer ikke under langbølget ultrafiolett lys (3660 A). Under kortbølget ultrafiolett lys (2537 Å) fluorescerer imidlertid disse diamanter sterkt i toner av gult og grønt.

Det kan derfor konkluderes med at de nærmest farveløse

(H til J på GIA graderingsskalaen) diamanter med lavt nitrogeninnhold fremstilt ifølge oppfinnelsen er bedre enn naturdiamanter for anvendelse som varmeopptagere ved kryogene temperaturer og vil gi mer slitefaste (og derved mer varige) smykkes tener.

Claims

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av et diamantmateriale, ved hvilken et reaksjonskar inneholdende et diamantkimmateriale og en carbontilførselskilde adskilt av en masse bestående hovedsakelig av et katalysator/oppløsningsmiddel underkastes et trykk i det diamantstabile område av fasediagrammet for carbon, samtidig med at reaksjonskaret oppvarmes på en slik måte at diamantkimmaterialet holdes ved en temperatur nær minimumstemperaturen for det diamantstabile område, mens carbontilførselskilden holdes ved en temperatur nær maksimumstemperaturen for dette område, hvorved det fremskaffes en temperaturgradient mellom diamantkimmaterialet og carbon-tilf ør sel skliden , karakterisert ved at der mellom diamantkimmaterialet og massen av katalysator/oppløsningsmidlet anbringes minst ett av de følgende lag: (a) et kimdannelseundertrykkende barrierelag som er oppløselig i katalysator/oppløsningsmidlet ved driftsbetingelsene, og som er forsynt med minst én åpning mellom diamantkimmaterialet og massen av katalysator/oppløs-ningsmidlet, (b) et kimdannelseundertrykkende barrierelag som er uoppløselig i katalysator/oppløsningsmidlet ved driftsbetingelsene, og som er forsynt med minst én åpning mellom diamantkimmaterialet og massen av katalysator/oppløsningsmidlet, og (c) et isolasjonslag som, når det er i kontakt med diamant, har et smeltepunkt som er høyere enn smeltepunktet for massen av katalysator/oppløsningsmiddel når massen er mettet med opp-løst carbon.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, alternativ (a), karakterisert ved at katalysator/oppløsnings-midlet anordnes slik at det strekker seg gjennom åpningen eller åpningene i det kimdannelseundertrykkende barrierelag og ned i en fordypning under hver åpning for derved å sammenkoble massen av katalysator/oppløsningsmiddel og diamantkimmaterialet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, alternativ (b), karakterisert ved at der anvendes minst én åpning gjennom barriereiaget, hvilken åpning danner en begrenset diamantvekstbane som strekker seg gjennom barriereiaget og forbinder massen av katalysator/oppløsningsmiddel og en lomme inneholdende diamantkimmaterialet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at en fast tråd av et katalysator/oppløsningsmiddel for diamantdannelsesreaksjonen anbringes i åpningen eller i hver åpning.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at der anvendes både et lag (a) og et lag (c), og at disse anbringes slik at det kimdannelseundertrykkende barrierelag skiller isolasjonslaget fra massen av katalysator/oppløsningsmiddel.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at der anvendes både et lag (b) og et lag (c), og at disse anbringes slik at det kimdannelseundertrykkende barrierelag skiller isolasjonslaget fra massen av katalysator/oppløsningsmiddel.