RU2181795C2 - Method of diamond synthesis - Google Patents
Method of diamond synthesis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2181795C2 RU2181795C2 RU99102580A RU99102580A RU2181795C2 RU 2181795 C2 RU2181795 C2 RU 2181795C2 RU 99102580 A RU99102580 A RU 99102580A RU 99102580 A RU99102580 A RU 99102580A RU 2181795 C2 RU2181795 C2 RU 2181795C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- aqueous medium
- decomposition
- silicon carbide
- diamonds
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники. The field of technology.
Изобретение относится к способам искусственного синтеза монокристаллов алмаза с заранее заданными физическими свойствами, например, с полупроводниковыми, с определенными люминесцентными, с определенным цветом или бесцветные и т.п. Применение таких кристаллов в электронике должно существенно улучшить ее технические параметры и надежность [1]. The invention relates to methods for the artificial synthesis of diamond single crystals with predetermined physical properties, for example, with semiconductor, with certain luminescent, with a certain color or colorless, etc. The use of such crystals in electronics should significantly improve its technical parameters and reliability [1].
Уровень техники. The prior art.
Алмаз является уникальным материалом, обладающим рядом рекордных физических параметров среди всех известных природных и искусственных синтезированных минералов. По объему использования алмазов в технике судят о техническом уровне развития той или иной страны. Diamond is a unique material with a number of record physical parameters among all known natural and artificial synthesized minerals. The volume of diamond use in technology is used to judge the technical level of development of a country.
Основным источником этого материала являются природные алмазы. Их главное использование - ювелирная индустрия и техника. Технические применения природных алмазов ограничены в основном использованием в абразивных порошках и различного рода режущих инструментах. Применение природных алмазов в современной электронике сдерживается крайне высокой нестабильностью их электрофизических характеристик, которые изменяются даже в пределах одного кристалла. Кроме того, природные полупроводниковые алмазы чрезвычайно редки и дороги, что также препятствует применению их в серийных производствах. The main source of this material is natural diamonds. Their main use is the jewelry industry and technology. Technical applications of natural diamonds are mainly limited to use in abrasive powders and various kinds of cutting tools. The use of natural diamonds in modern electronics is constrained by the extremely high instability of their electrophysical characteristics, which vary even within a single crystal. In addition, natural semiconductor diamonds are extremely rare and expensive, which also prevents their use in mass production.
Известно несколько способов искусственного синтеза алмазов. Одним из наиболее распространенных является способ синтеза путем фазового перехода графита в алмаз в среде металлов-катализаторов при температуре выше 1200oС и давлении выше 40 тысяч атмосфер [2]. Этим способом получены монокристаллы алмаза массой до 35 карат. Из-за больших энергозатрат и сложной техники стоимость таких монокристаллов получается сравнимой со стоимостью природных алмазов. Кроме того, эти алмазы содержат в себе примеси металлов, ухудшающие их электрические свойства, и имеют очень низкую, в сравнении с лучшими образцами природных алмазов, подвижность носителей электрического тока [3].Several methods for the artificial synthesis of diamonds are known. One of the most common is the method of synthesis by phase transition of graphite to diamond in the environment of metal catalysts at temperatures above 1200 o C and pressure above 40 thousand atmospheres [2]. In this way, single crystals of diamond weighing up to 35 carats were obtained. Due to the large energy costs and sophisticated technology, the cost of such single crystals is comparable to the cost of natural diamonds. In addition, these diamonds contain metal impurities that impair their electrical properties, and have very low, in comparison with the best examples of natural diamonds, mobility of electric current carriers [3].
В работе [4] описан способ синтеза алмаза, основанный на перекристаллизации углерода в водной среде с порошкообразным никелем, аморфным углеродом и алмазной пудрой при давлении 1400 атм и температуре 800oС. В этой работе получены монокристаллы алмаза с неправильной кристаллической формой размером 5-10 мкм. В ряде случаев наблюдались агрегаты размером до 100 мкм. Принципиально важно, что, как и в природных алмазах, никаких металлических примесей в них не обнаружено.In [4], a method for synthesizing diamond is described, based on the recrystallization of carbon in an aqueous medium with powdered nickel, amorphous carbon, and diamond powder at a pressure of 1400 atm and a temperature of 800 o C. In this work, diamond single crystals with an irregular crystalline shape of size 5-10 were obtained. microns. In some cases, aggregates up to 100 μm in size were observed. It is fundamentally important that, as in natural diamonds, no metallic impurities were found in them.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и выбранным в качестве прототипа является способ синтеза алмаза, предложенный в работе [5]. Сущность его основана на разложении карбида кремния - SiC водой при температуре 700-750oС и давлении 1000-5000 атм. Однако в экспериментах выход алмаза оказался очень мал. На поверхности алмазных затравок были обнаружены кристаллы октаэдрической формы размером не более 3 мкм. Заметного роста затравок не обнаружено.Closest to the technical nature of the claimed and selected as a prototype is a method for the synthesis of diamond, proposed in [5]. Its essence is based on the decomposition of silicon carbide - SiC with water at a temperature of 700-750 o C and a pressure of 1000-5000 atm. However, in the experiments, the diamond yield was very small. On the surface of the diamond seeds, crystals of an octahedral shape no larger than 3 μm in size were detected. No noticeable seed growth was found.
Сущность изобретения. SUMMARY OF THE INVENTION
Задачей изобретения является синтез монокристаллов алмаза с малым количеством дефектов в кристаллической решетке, а также возможность легирования таких алмазов примесями с целью получения необходимых физических свойств, например: полупроводниковых, люминесцентных и т.п. The objective of the invention is the synthesis of diamond single crystals with a small number of defects in the crystal lattice, as well as the possibility of doping such diamonds with impurities in order to obtain the necessary physical properties, for example: semiconductor, luminescent, etc.
Технический результат изобретения - простота реализации в сочетании с низкой стоимостью получения алмазов с малым количеством дефектов в решетке достигается тем, что в способе синтеза алмазов, основанном на разложении карбида кремния в водной среде, новым является то, что в водную среду вводят, по крайней мере, один из растворимых в воде хлоридов металлов из ряда металлов, присутствующих в кимберлитовых трубах [6], таких как: Mg, Ca, Cr, Mn, Fe, Ni и т.д. Процесс разложения ведут в интервале температур от 200oС до 350oС.The technical result of the invention is the simplicity of implementation, combined with the low cost of producing diamonds with a small number of defects in the lattice, by the fact that in the method of diamond synthesis based on the decomposition of silicon carbide in an aqueous medium, it is new that at least , one of the water-soluble metal chlorides from a number of metals present in kimberlite pipes [6], such as: Mg, Ca, Cr, Mn, Fe, Ni, etc. The decomposition process is carried out in the temperature range from 200 o C to 350 o C.
Дополнительный технический результат - придание алмазу заранее заданных физических свойств достигается тем, что в предложенном способе синтеза алмазов в водную среду дополнительно вводят растворимые химические вещества, которые в условиях осуществления способа разлагаются с выделением легирующих алмаз примесей. An additional technical result - giving the diamond predefined physical properties is achieved by the fact that in the proposed method for synthesizing diamonds, soluble chemicals are additionally introduced into the aqueous medium, which decompose under the conditions of the method with the release of diamond-doping impurities.
Экспериментальным путем было установлено, что карбид кремния разлагается растворенными в воде хлоридами металлов, такими как: Mg, Ca, Cr, Mn, Fe, Ni при температурах выше 200oС с образованием силикатов и свободного углерода, за счет которого может осуществляться рост алмаза. Хлоридная часть может быть представлена как одним хлоридом, так и смесью хлоридов разных металлов. При увеличении температуры возрастает скорость разложения SiC, что сказывается на скорости роста кристаллов алмаза и на их габитусе. На габитус кристалла должны влиять также набор и концентрация веществ в растворе.It was experimentally established that silicon carbide is decomposed by metal chlorides dissolved in water, such as: Mg, Ca, Cr, Mn, Fe, Ni at temperatures above 200 ° C with the formation of silicates and free carbon, due to which diamond can grow. The chloride part can be represented by a single chloride or a mixture of chlorides of different metals. With increasing temperature, the decomposition rate of SiC increases, which affects the growth rate of diamond crystals and their habit. The habit and the concentration of substances in the solution should also influence the crystal habit.
Приведенные опыты показали, что при температуре около 300oС уже заметно разлагают SiC хлориды Mg, Ca, Cr. В этом случае схему разложения SiC можно представить как:
Если в водной среде содержится несколько хлоридов разных металлов, то, очевидно, могут образовываться групповые силикаты.The above experiments showed that at a temperature of about 300 o C SiC chlorides Mg, Ca, Cr are already noticeably decomposed. In this case, the decomposition scheme of SiC can be represented as:
If several chlorides of different metals are contained in an aqueous medium, then group silicates can obviously form.
Давление среды не является определяющим фактором в таком процессе, а возникает как следствие от нагрева водного раствора до температуры, превышающей температуру кипения. The pressure of the medium is not a determining factor in such a process, but arises as a result of heating an aqueous solution to a temperature exceeding the boiling point.
При введении в среду растворимых химических веществ, разлагающихся в условиях осуществления способа, некоторые из появляющихся в растворе химических элементов или радикалов будут входить в кристаллическую решетку растущего алмаза. Таким путем можно легировать алмаз, например: бором, азотом и т. д. Возможность этого подтверждается природными алмазами с подобным легированием. When soluble chemicals decompose under the conditions of the process are introduced into the environment, some of the chemical elements or radicals that appear in the solution will enter the crystal lattice of the growing diamond. In this way, it is possible to alloy a diamond, for example: boron, nitrogen, etc. The possibility of this is confirmed by natural diamonds with similar alloying.
Время выдержки кристалла алмаза в среде, естественно, влияет на размеры кристалла. Чем больше время выдержки, тем большим по размеру может вырасти кристалл. The exposure time of a diamond crystal in a medium naturally affects the size of the crystal. The longer the exposure time, the larger the crystal can grow.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Information confirming the possibility of carrying out the invention.
Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.
В герметичный сосуд, способный выдерживать возникающее давление паров воды, помещают водный раствор хлорида (хлоридов) металла с порошком SiC с алмазной затравкой или без нее. Нагревают сосуд до заданной температуры в интервале от 200oС до 350oС в рабочей среде и выдерживают его при этой температуре в течение некоторого времени. Затем охлаждают сосуд и извлекают продукты разложения SiC, в частности - выросшие кристаллы алмаза, которые тем больше по размеру, чем больше время выдержки. В таблице представлен ряд конкретных условий по реализации заявленного способа при верхнем пределе (350oС) температурного интервала, длительность опытов ~50 часов.An aqueous solution of metal chloride (s) of metal with SiC powder with or without diamond seed is placed in a sealed vessel capable of withstanding the resulting vapor pressure of water. The vessel is heated to a predetermined temperature in the range from 200 ° C. to 350 ° C. in a working medium and kept at this temperature for some time. Then the vessel is cooled and the decomposition products of SiC are removed, in particular, grown diamond crystals, which are larger in size, the longer the exposure time. The table shows a number of specific conditions for the implementation of the claimed method at the upper limit (350 o C) of the temperature interval, the duration of the experiments ~ 50 hours.
Из опытов с вышеуказанными компонентами и положительным результатом в качестве примера на фиг. 1 приведена полученная на электронном микроскопе "SUPERPROBE-73" фирмы "JEOL" фотография прозрачного бесцветного спонтанно выросшего (то есть не на затравке) кристалла алмаза с максимальным размером 150 мкм, полученного предлагаемым способом. На фиг.2 приведена дифрактограмма этого кристалла, где по оси абсцисс - угол дифракционного отражения, а по оси ординат - интенсивность отражения. From experiments with the above components and a positive result, as an example in FIG. 1 shows a photograph obtained on a JEOL SUPERPROBE-73 electron microscope from a transparent transparent colorless (that is, not on a seed) diamond crystal with a maximum size of 150 μm obtained by the proposed method. Figure 2 shows the diffractogram of this crystal, where the abscissa axis is the angle of diffraction reflection, and the ordinate axis is the reflection intensity.
Приведенный на фиг.1 кристалл алмаза был получен при осуществлении предлагаемого способа следующим образом. Порошок SiC в количестве 0,3 г и MgCl2•6H2O в количестве 1,7 г помещались в кварцевую кювету с водой объемом 15 мл. Кювета помещалась в герметичный стальной контейнер, который нагревался и выдерживался при температуре 300oС в течение 25 часов.Shown in figure 1, a diamond crystal was obtained by implementing the proposed method as follows. Powder SiC in an amount of 0.3 g and MgCl 2 • 6H 2 O in an amount of 1.7 g were placed in a quartz cuvette with water with a volume of 15 ml. The cell was placed in a sealed steel container, which was heated and maintained at a temperature of 300 o C for 25 hours.
Элементный анализ, который проводился на электронном микроскопе "SUPERPROBE-73" фирмы "JEOL", показал, что кристалл состоит из углерода. Elemental analysis, which was carried out on a JEOL SUPERPROBE-73 electron microscope, showed that the crystal consists of carbon.
Анализ дифрактограммы, полученной на рентгеновском дифрактометре "Dmax/RC" фирмы "Rigaku", показал, что кристалл имеет кристаллическую решетку алмаза. Однако межплоскостные расстояния решетки имеют величины несколько меньшие, чем стандартно принятые [7]. Так, например, для плоскостей (111) - на 0,24%, для (220) - на 0,64%, для (311) - на 0,47%, для (331) - на 0,28%. Это позволяет сделать вывод, что полученный кристалл имеет более компактную кристаллическую решетку с меньшим количеством дефектов, чем у "стандартной" решетки. Мы связываем это уменьшение с невысокой температурой, при которой вырос алмаз.Analysis of the diffraction pattern obtained on a Rigaku X-ray diffractometer "D max / RC" showed that the crystal has a diamond crystal lattice. However, the interplanar spacings of the lattice are slightly smaller than the standard ones [7]. So, for example, for the (111) planes - by 0.24%, for (220) - by 0.64%, for (311) - by 0.47%, for (331) - by 0.28%. This allows us to conclude that the obtained crystal has a more compact crystal lattice with fewer defects than the "standard" lattice. We attribute this decrease to the low temperature at which diamond grew.
При помещении в вышеописанную среду алмазной затравки (мы использовали синтетические кристаллы Ереванского завод "Алмаз") на некоторых гранях ее вырастают прозрачные бесцветные наросты, имеющие фрагменты октаэдрического габитуса. When placed in the above medium with a diamond seed (we used synthetic crystals of the Almaz plant in Yerevan), transparent colorless growths with fragments of an octahedral habit grow on some of its faces.
Предлагаемый способ синтеза алмаза осуществим в любых реально взятых объемах и пригоден для промышленного применения. The proposed method for the synthesis of diamond is feasible in any actually taken volumes and is suitable for industrial use.
Использованная литература
1. Под ред. В.Б. Кваскова "Природные алмазы России", М., "Полярон", 1997 г., 304 с.References
1. Ed. B. B. Kvaskova "Natural diamonds of Russia", M., "Polaron", 1997, 304 S.
2. Костиков В.И. и др. "Графитизация и алмазообразование", М., "Металлургия", 1991 г., 224 с. 2. Kostikov V.I. and others. "Graphitization and diamond formation", M., "Metallurgy", 1991, 224 S.
3. УФН, 1997, 167, 1, 17-22. 3. UFN, 1997, 167, 1, 17-22.
4. "Nature", 1997, 385, 6616, рр.485, 513-515. 4. "Nature", 1997, 385, 6616, pp. 485, 513-515.
5. "Journal of Materials Chemistry", 1995, 5, 12, рр.2313-2314. 5. "Journal of Materials Chemistry", 1995, 5, 12, pp. 2313-2314.
6. Харькив А.Д., Зинчук Н.Н., Крючков А.И. "Геолого-генетические основы шлихо-минералогического метода поисков алмазных месторождений", М., "Недра", 1995 г., 349 с. 6. Kharkiv A.D., Zinchuk N.N., Kryuchkov A.I. "Geological and genetic foundations of the schlichno-mineralogical method for searching for diamond deposits", M., "Nedra", 1995, 349 pp.
7. Справочник "Полиморфные модификации углерода и нитрида бора", М., "Металлургия", 1994 г., 318 с. 7. Handbook "Polymorphic modifications of carbon and boron nitride", M., "Metallurgy", 1994, 318 S.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99102580A RU2181795C2 (en) | 1999-02-08 | 1999-02-08 | Method of diamond synthesis |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99102580A RU2181795C2 (en) | 1999-02-08 | 1999-02-08 | Method of diamond synthesis |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99102580A RU99102580A (en) | 2001-04-10 |
| RU2181795C2 true RU2181795C2 (en) | 2002-04-27 |
Family
ID=20215695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99102580A RU2181795C2 (en) | 1999-02-08 | 1999-02-08 | Method of diamond synthesis |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2181795C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2482060C1 (en) * | 2011-11-23 | 2013-05-20 | Алексей Иванович Гончаров | Diamond synthesis method |
| RU2484016C1 (en) * | 2011-12-16 | 2013-06-10 | Алексей Иванович Гончаров | Method of producing synthetic diamonds and apparatus for realising said method |
| RU2531311C1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-10-20 | Алексей Иванович Гончаров | Method of obtaining synthetic diamonds |
| CN105189346A (en) * | 2013-03-15 | 2015-12-23 | 西弗吉尼亚大学研究公司 | Process for pure carbon production, compositions, and methods thereof |
| US9909222B2 (en) | 2014-10-21 | 2018-03-06 | West Virginia University Research Corporation | Methods and apparatuses for production of carbon, carbide electrodes, and carbon compositions |
| US11332833B2 (en) | 2016-04-20 | 2022-05-17 | West Virginia Research Corporation | Methods, apparatuses, and electrodes for carbide-to-carbon conversion with nanostructured carbide chemical compounds |
-
1999
- 1999-02-08 RU RU99102580A patent/RU2181795C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| JURY G. GOGOTSI et al. "Hydrothermal Synthesis of Diamond from Diamond seeded β-SiC Powder/ J. Mater. Chem. 1995, 5(12), 2313-2314. * |
| ЕР 0523923 А1: 20.01.1993. * |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2482060C1 (en) * | 2011-11-23 | 2013-05-20 | Алексей Иванович Гончаров | Diamond synthesis method |
| RU2484016C1 (en) * | 2011-12-16 | 2013-06-10 | Алексей Иванович Гончаров | Method of producing synthetic diamonds and apparatus for realising said method |
| US10144648B2 (en) | 2013-03-15 | 2018-12-04 | West Virginia University Research Corporation | Process for pure carbon production |
| CN105189346A (en) * | 2013-03-15 | 2015-12-23 | 西弗吉尼亚大学研究公司 | Process for pure carbon production, compositions, and methods thereof |
| US9701539B2 (en) | 2013-03-15 | 2017-07-11 | West Virginia University Research Corporation | Process for pure carbon production |
| US9764958B2 (en) | 2013-03-15 | 2017-09-19 | West Virginia University Research Corporation | Process for pure carbon production, compositions, and methods thereof |
| CN105189346B (en) * | 2013-03-15 | 2018-05-08 | 西弗吉尼亚大学研究公司 | Technique, composition and its method produced for pure carbon |
| US10035709B2 (en) | 2013-03-15 | 2018-07-31 | West Virginia University Research Corporation | Process for pure carbon production, compositions, and methods thereof |
| US10494264B2 (en) | 2013-03-15 | 2019-12-03 | West Virginia University Research Corporation | Process for pure carbon production, compositions, and methods thereof |
| US10696555B2 (en) | 2013-03-15 | 2020-06-30 | West Virginia University Research Corporation | Process for pure carbon production |
| RU2531311C1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-10-20 | Алексей Иванович Гончаров | Method of obtaining synthetic diamonds |
| US9909222B2 (en) | 2014-10-21 | 2018-03-06 | West Virginia University Research Corporation | Methods and apparatuses for production of carbon, carbide electrodes, and carbon compositions |
| US11306401B2 (en) | 2014-10-21 | 2022-04-19 | West Virginia University Research Corporation | Methods and apparatuses for production of carbon, carbide electrodes, and carbon compositions |
| US11332833B2 (en) | 2016-04-20 | 2022-05-17 | West Virginia Research Corporation | Methods, apparatuses, and electrodes for carbide-to-carbon conversion with nanostructured carbide chemical compounds |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Akaishi et al. | Phosphorus: An elemental catalyst for diamond synthesis and growth | |
| US7368015B2 (en) | Apparatus for producing single crystal and quasi-single crystal, and associated method | |
| Denis et al. | Gallium nitride bulk crystal growth processes: A review | |
| JP5480624B2 (en) | Method for forming nitride crystal | |
| JP5049590B2 (en) | Method for producing silicon carbide (SiC) single crystal | |
| Deryagin et al. | Epitaxial synthesis of diamond in the metastable region | |
| Addamiano | Preparation and properties of 2H SiC crystals | |
| EP1687240A1 (en) | Method of removing impurities from metallurgical grade silicon to produce solar grade silicon | |
| Wang et al. | Growth of HPHT diamonds in alkali halides: possible effects of oxygen contamination | |
| RU2181795C2 (en) | Method of diamond synthesis | |
| JP2021519736A (en) | Catalytic solvent for carbon nitride | |
| JP3259384B2 (en) | Method of synthesizing diamond single crystal | |
| Gogotsi et al. | Hydrothermal synthesis of diamond from diamond-seeded β-SiC powder | |
| Caveney | Limits to quality and size of diamond and cubic boron nitride synthesized under high pressure, high temperature conditions | |
| Roy et al. | Evidence for hydrothermal growth of diamond in the C–H–O and C–H–O halogen system | |
| JP3452665B2 (en) | Method for synthesizing diamond single crystal and single crystal diamond | |
| Choudhary et al. | Manufacture of gem quality diamonds: a review | |
| US4148964A (en) | Polycrystalline superhard material and method of producing thereof | |
| Kubota et al. | Synthesis of cubic and hexagonal boron nitrides by using Ni solvent under high pressure | |
| RU2181793C2 (en) | Method of diamond synthesis | |
| Jouet et al. | Preparation of phase pure cubic gallium nitride, c-GaN, by ammonothermal conversion of gallium imide,{Ga (NH) 3/2} n | |
| JPS6351965B2 (en) | ||
| RU2181794C2 (en) | Method of diamond synthesis | |
| Chen et al. | Recent development in diamond synthesis | |
| Hong et al. | Diamond formation from a system of SiC and a metal |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070209 |