RU2325323C2 - Твердые алмазы и способы их получения - Google Patents

Твердые алмазы и способы их получения Download PDF

Info

Publication number
RU2325323C2
RU2325323C2 RU2006104555/15A RU2006104555A RU2325323C2 RU 2325323 C2 RU2325323 C2 RU 2325323C2 RU 2006104555/15 A RU2006104555/15 A RU 2006104555/15A RU 2006104555 A RU2006104555 A RU 2006104555A RU 2325323 C2 RU2325323 C2 RU 2325323C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diamond
hardness
grown
diamonds
crystal
Prior art date
Application number
RU2006104555/15A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2006104555A (ru
Inventor
Расселл Дж. ХЕМЛИ (US)
Расселл Дж. ХЕМЛИ
Хо-кванг МАО (US)
Хо-Кванг Мао
Чжи-Шию ЯНЬ (US)
Чжи-Шию ЯНЬ
Original Assignee
Карнеги Инститьюшн Оф Вашингтон
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Карнеги Инститьюшн Оф Вашингтон filed Critical Карнеги Инститьюшн Оф Вашингтон
Publication of RU2006104555A publication Critical patent/RU2006104555A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2325323C2 publication Critical patent/RU2325323C2/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/02—Heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/25—Diamond
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/25—Diamond
    • C01B32/26—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/274—Diamond only using microwave discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/277—Diamond only using other elements in the gas phase besides carbon and hydrogen; using other elements besides carbon, hydrogen and oxygen in case of use of combustion torches; using other elements besides carbon, hydrogen and inert gas in case of use of plasma jets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/279—Diamond only control of diamond crystallography
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
    • C30B25/105—Heating of the reaction chamber or the substrate by irradiation or electric discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/04—Diamond
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/76—Television signal recording
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B2220/00—Record carriers by type
    • G11B2220/20—Disc-shaped record carriers
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B2220/00—Record carriers by type
    • G11B2220/60—Solid state media
    • G11B2220/65—Solid state media wherein solid state memory is used for storing indexing information or metadata
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/76—Television signal recording
    • H04N5/765—Interface circuits between an apparatus for recording and another apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/76—Television signal recording
    • H04N5/765—Interface circuits between an apparatus for recording and another apparatus
    • H04N5/775—Interface circuits between an apparatus for recording and another apparatus between a recording apparatus and a television receiver
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/76—Television signal recording
    • H04N5/78—Television signal recording using magnetic recording
    • H04N5/781—Television signal recording using magnetic recording on disks or drums
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/79—Processing of colour television signals in connection with recording
    • H04N9/80—Transformation of the television signal for recording, e.g. modulation, frequency changing; Inverse transformation for playback
    • H04N9/804—Transformation of the television signal for recording, e.g. modulation, frequency changing; Inverse transformation for playback involving pulse code modulation of the colour picture signal components
    • H04N9/8042—Transformation of the television signal for recording, e.g. modulation, frequency changing; Inverse transformation for playback involving pulse code modulation of the colour picture signal components involving data reduction
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/79—Processing of colour television signals in connection with recording
    • H04N9/80—Transformation of the television signal for recording, e.g. modulation, frequency changing; Inverse transformation for playback
    • H04N9/82—Transformation of the television signal for recording, e.g. modulation, frequency changing; Inverse transformation for playback the individual colour picture signal components being recorded simultaneously only
    • H04N9/8205—Transformation of the television signal for recording, e.g. modulation, frequency changing; Inverse transformation for playback the individual colour picture signal components being recorded simultaneously only involving the multiplexing of an additional signal and the colour video signal

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Television Signal Processing For Recording (AREA)

Abstract

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Твердый монокристаллический алмаз получают путем размещения затравочного алмаза в держателе и выращивания химическим осаждением из газовой фазы, индуцированным микроволновой плазмой, при температуре примерно 1000-1100°С в атмосфере N2/CH4=0,2-5,0 и СН4/Н2=12-20% при суммарном давлении 120-220 торр. Полученный монокристаллический алмаз обладает твердостью 50-90 ГПа и трещиностойкостью 11-20 МПа·м1/2. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Настоящее изобретение заявляет приоритет предварительной заявки №60/486435, поданной 14 июля 2003, которая включена в данное описание в виде ссылки.
Подтверждение государственного права
Настоящее изобретение осуществлено при поддержке правительства США по гранту c номером EAR-0135626, предоставленному Национальным Научным Фондом. Правительство США имеет определенные права на данное изобретение.
Предпосылки изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к алмазам и более конкретно к твердому алмазу, получаемому с использованием химического осаждения из газовой фазы, индуцированного микроволновой плазмой (MPCVD) в камере осаждения.
Описание предшествующего уровня техники
Крупномасштабное производство синтетического алмаза долгое время было целью как научных исследований, так и промышленного производства. Алмаз, кроме своих свойств драгоценного камня, является самым твердым известным веществом, обладает самой высокой известной теплопроводностью и прозрачен в широком спектре электромагнитного излучения. Поэтому алмаз высоко ценится вследствие широкого круга применений в ряде отраслей промышленности, наряду с его ценностью в качестве драгоценного камня. В течение, по меньшей мере, последних двадцати лет был доступен способ получения небольших количеств алмаза химическим осаждением из газовой фазы (CVD). Как сообщалось B.V.Spitsyn в «Vapor Growth of Diamond on Diamond and Other Surfaces», Journal of Crystal Growth, vol.52, pp.219-226, способ заключается в CVD алмаза на подложке с использованием комбинации метана или другого простого углеводородного газа и газа водорода при пониженных давлениях и температурах 800-1200°C. Включение газа водорода предотвращает образование графита, в то время как происходит образование центров кристаллизации и рост алмаза. В случае использования указанного способа сообщалось о скоростях роста до 1 мкм/час.
В последующей работе, например работе Kamo et al., о которой сообщается в «Diamond Synthesis from Gas Phase in Microwave Plasma», Journal of Crystal Growth, vol.62, pp.642-644, показано применение химического осаждения из газовой фазы, индуцированного микроволновой плазмой (MPCVD), для получения алмаза при давлениях 1-8 кПа в пределах температур 800-1000°C с микроволновой мощностью 300-700 Вт при частоте 2,45 ГГц. В указанном способе Kamo et al. использовали концентрацию газа метана 1-3%. В случае использования способа MPCVD сообщалось о максимальных скоростях роста 3 мкм/час.
В рассмотренных выше способах и в целом ряде недавно разработанных способов трещиностойкость алмазов в некоторых случаях лучше, чем у природных алмазов. В частности, в способах при более высоких скоростях роста, в которых только получают или выращивают поликристаллические формы алмаза, известно получение алмаза, обладающего трещиностойкостью, лучшей, чем у природных алмазов. За исключением некоторых синтетических алмазов, полученных в условиях высоких температур и высоких давлений (HPHT), которые подвергали отжигу, большинство алмазов обладают трещиностойкостью менее 11 МПа·м1/2.
Сущность изобретения
Таким образом, настоящее изобретение относится к устройству и способу получения алмаза, который, по существу, устраняет одну или несколько проблем, обусловленных ограничениями и недостатками предшествующего уровня техники.
Целью настоящего изобретения является устройство и способ получения алмаза в системе для химического осаждения из газовой фазы, индуцированного микроволновой плазмой, который обладает повышенной трещиностойкостью.
Дополнительные особенности и преимущества изобретения будут изложены в приведенном ниже описании и частично будут понятны из описания или могут быть изучены при практическом осуществлении изобретения. Указанные цели и другие преимущества данного изобретения будут реализованы и достигнуты с помощью системы, в частности, указанной в описании и в формуле изобретения, а также прилагаемых чертежей.
Для достижения указанных и других преимуществ и в соответствии с целью настоящего изобретения, которое осуществлено и подробно описано, монокристаллический алмаз, выращенный с помощью химического осаждения из газовой фазы, индуцированного микроволновой плазмой, обладает твердостью 50-90 ГПа и трещиностойкостью 15-20 МПа·м1/2.
В другом варианте осуществления монокристаллический алмаз обладает трещиностойкостью 18-20 МПа·м1/2.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения способ выращивания монокристаллического алмаза включает размещение затравочного алмаза в держателе и выращивание монокристаллического алмаза при температуре от примерно 1000°C до примерно 1100°C так, что монокристаллический алмаз обладает трещиностойкостью 11-20 МПа·м1/2.
Следует понимать, что как предшествующее общее описание, так и последующее подробное описание являются иллюстративными и пояснительными и предназначены для дальнейшего разъяснения заявленного изобретения.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые включены для обеспечения дальнейшего понимания изобретения и которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.
Фиг.1 является схематическим изображением индентора для испытания твердости и трещиностойкости алмаза.
Фиг.2 является изображением углубления, сделанного на CVD-выращенном в индуцированной микроволновой плазме монокристаллическом алмазе.
Фиг.3 является диаграммой, показывающей твердость и твердость CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов по сравнению с природными алмазами типа IIa.
Фиг.4 является диаграммой, показывающей твердость и твердость CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов, которые были получены при различных температурах, по сравнению с природными алмазами типа IIa.
Подробное описание предпочтительных вариантов
Теперь будет сделана ссылка на подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, результаты которого проиллюстрированы в прилагаемых чертежах.
CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз, относящийся к данной заявке, был выращен с использованием устройства, описанного в патентной заявке №10/288499, поданной 6 ноября 2002 г. под названием «Apparatus and Method for Diamond Production», которая включена в данное описание в виде ссылки. В общем случае, затравку алмаза помещают в держателе, который перемещает затравку алмаза/растущий алмаз, по мере того как алмаз выращивают. Авторы данной заявки также являются авторами патентной заявки США №10/288499.
CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз c толщиной более 1 миллиметра был осажден на гранях {100} синтетического алмаза типа Ib. Для увеличения скорости роста (50-150 мкм/час) и активации процесса сглаживания роста грани {100} монокристаллические алмазы выращивали в атмосфере N2/CH4=0,2-5,0% и CH4/H2=12-20% при суммарном давлении 120-220 торр и 900-1500°C из микроволновой индуцированной плазмы в камере CVD. Спектры комбинационного рассеяния показали наличие небольшого количества гидрогенизированного аморфного углерода (a-C:H)4 и азотсодержащего a-C:H(N:a-C:H)4, приводящего к коричневому алмазу при <950°C и >1400°C. Спектр фотолюминесценции (СФ) указывал на примеси, связанные с вакансией азота (N-V). Монокристаллические алмазы толщиной до 4,5 мм были получены при скоростях роста, которые по величине были на два порядка выше, чем в способах обычного поликристаллического CVD-роста.
Фиг.1 является схематическим изображением индентора для испытания твердости и трещиноустойчивости алмаза. Определение твердости по Виккерсу и трещиноустойчивости выполняли на отожженных CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазах на инденторе 1, показанном на фиг.1. Индентор 1 на фиг.1 содержит вдавливающее вещество 2, помещенное на держателе 3. Вдавливающее вещество 2 может быть карбидом кремния, алмазом или некоторым другим твердым веществом. Вдавливающее вещество имеет грани пирамидальной формы, соответствующие индентору по Виккерсу, в котором стороны пирамидальной формы, соответствующие индентору по Виккерсу, образуют угол 136°.
Индентор прикладывает точечный груз к испытываемому алмазу 2 до тех пор, пока не образуется углубление или трещина в испытываемом алмазе 2. Чтобы предотвращать упругую деформацию индентора, грузы варьируют от 1 до 3 кг на гранях {100} в направлении <100> испытываемых алмазов. Фиг.2 является изображением углубления, сделанного на CVD-выращенном индуцированным микроволновой плазмой монокристаллическом алмазе. Размеры углубления и трещин, связанных с углублением, измеряют с помощью оптической микроскопии.
Измеряя длину D и высоту h углубления, твердость Hv испытываемого алмаза может быть определена из следующего уравнения (1):
Figure 00000002
где P означает максимальный груз, используемый в инденторе для образования углубления в испытываемом алмазе, D означает протяженность самой длинной трещины, образовавшейся под воздействием индентора в испытываемом алмазе, и h означает глубину углубления в испытываемом алмазе, как показано на фиг.1.
Трещиностойкость Kc испытываемого алмаза может быть определена, используя твердость Hv из уравнения (1) по следующему уравнению (2):
Figure 00000003
E является модулем Юнга, который принят равным 1000 ГПа. P означает максимальный груз, используемый в инденторе для образования углубления в испытываемом алмазе. Значение d означает среднюю длину впадины углубления в испытываемом алмазе, как показано на фиг.2, такой что d=(dl+d2)/2. Значение c означает среднюю длину радиальных трещин в испытываемом алмазе, как показано на фиг.2, такую что c=(cl+c2)/2.
Фиг.3 является диаграммой, показывающей твердость и твердость CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов по сравнению с природными алмазами типа IIa. CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы выращены при температурах примерно 1300°С для достижения высоких скоростей роста. Как показано на фиг.3, CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы обладают намного более высокой трещиноустойчивостью 6-18 МПа·м1/2, чем природный алмаз типа IIa. Большинство CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов обладают намного более высокой трещиноустойчивостью по сравнению с отмеченной областью значений трещиноустойчивости для природного алмаза типа IIa, показанной в виде выделенного точками прямоугольника 10 на фиг.3 и отмеченной областью значений трещиноустойчивости для поликристаллических CVD-алмазов, показанной в виде выделенного точками прямоугольника 20 на фиг.3. CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы, представленные на фиг.3, обладают трещиностойкостью 11-18 МПа·м1/2 и твердостью 50-90 ГПа.
Как установлено, представленные на фиг.3 различия в трещиноустойчивости CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов до некоторой степени коррелируют с температурой обработки. Соответственно, авторы настоящего изобретения вырастили дополнительные, CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме, монокристаллические алмазы в пределах определенных диапазонов температуры обработки. Другими словами, затравку алмаза помещали в держателе и осуществляли рост монокристаллического алмаза в пределах определенных диапазонов температуры обработки. Эти дополнительные CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы затем были подвергнуты той же самой проверке на твердость и трещиноустойчивость.
Фиг.4 является диаграммой, показывающей твердость и твердость CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов, которые были получены при различных температурах, по сравнению с природными алмазами типа IIa. Более конкретно, на фиг.4 показана твердость и твердость CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов, которые соответственно были получены при температурах свыше 1300°С, при 1150-1250°С и 1000-1100°С. Как показано на фиг.4, CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы при 1000-1100°С обладают трещиностойкостью примерно 18-20 МПа·м1/2 и твердостью 60-70 ГПа.
Хотя скорость роста монокристаллических алмазов была снижена, монокристаллические алмазы, выращенные при 1000-1100°С, могут быть получены с высокой трещиностойкостью 18-20 МПа·м1/2. Неизвестны другие синтетические или природные алмазы, которые обладают такой высокой трещиностойкостью. Кроме того, алмазы, выросшие при более высоких температурах, таких как 1150-1350°С, могут не обязательно достигнуть высокой трещиностойкости, но для них наблюдается тенденция обладать высокой твердостью, которая делает такие алмазы полезными для других целей.
Поскольку настоящее изобретение может быть осуществлено в нескольких формах неотступления от сути или его существенных признаков, следует также понимать, что описанные выше варианты не ограничены никакими подробностями приведенного выше описания, если не оговорено особо, и их следует толковать широко в пределах его сущности и объема, которые определены в прилагаемой формуле изобретения, и поэтому подразумевается, что все изменения и модификации, которые входят в пределы объема формулы изобретения или эквивалентны такому объему, включены в прилагаемую формулу изобретения.

Claims (7)

1. Монокристаллический алмаз, выращенный химическим осаждением из газовой фазы, индуцированным микроволновой плазмой, обладающий твердостью 50-90 ГПа и трещиностойкостью 11-20 МПа·м1/2.
2. Монокристаллический алмаз по п.1, где трещиностойкость составляет 18-20 МПа·м1/2.
3. Монокристаллический алмаз по п.1, где твердость составляет 60-70 ГПа.
4. Монокристаллический алмаз, обладающий трещиностойкостью 18-20 МПа·м1/2.
5. Монокристаллический алмаз по п.4, обладающий твердостью 60-70 ГПа.
6. Способ выращивания монокристаллического алмаза, включающий размещение затравочного алмаза в держателе; и выращивание монокристаллического алмаза химическим осаждением из газовой фазы, индуцированным микроволновой плазмой, при температуре от примерно 1000°С до примерно 1100°С в атмосфере N2/CH4=0,2-5,0% и СН4/Н2=12-20% при суммарном давлении 120-220 торр так, что монокристаллический алмаз обладает трещиностойкостью 11-20 МПа·м1/2.
7. Способ по п.6, в котором рост монокристаллического алмаза в результате приводит к монокристаллическому алмазу, обладающему твердостью 60-70 ГПа.
RU2006104555/15A 2003-07-14 2004-07-14 Твердые алмазы и способы их получения RU2325323C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US48643503P 2003-07-14 2003-07-14
US60/486,435 2003-07-14

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006104555A RU2006104555A (ru) 2006-08-27
RU2325323C2 true RU2325323C2 (ru) 2008-05-27

Family

ID=34079231

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006104555/15A RU2325323C2 (ru) 2003-07-14 2004-07-14 Твердые алмазы и способы их получения
RU2006104551/15A RU2323281C2 (ru) 2003-07-14 2004-07-14 Сверхтвердые алмазы и способ их получения
RU2006104552/02A RU2324764C2 (ru) 2003-07-14 2004-07-14 Отжиг монокристаллических алмазов, полученных химическим осаждением из газовой фазы

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006104551/15A RU2323281C2 (ru) 2003-07-14 2004-07-14 Сверхтвердые алмазы и способ их получения
RU2006104552/02A RU2324764C2 (ru) 2003-07-14 2004-07-14 Отжиг монокристаллических алмазов, полученных химическим осаждением из газовой фазы

Country Status (14)

Country Link
US (7) US7157067B2 (ru)
EP (3) EP1664394B1 (ru)
JP (3) JP4846578B2 (ru)
KR (3) KR101151768B1 (ru)
CN (3) CN1942610B (ru)
AU (3) AU2004258192B2 (ru)
BR (3) BRPI0412647A (ru)
CA (3) CA2532384C (ru)
HK (3) HK1093334A1 (ru)
IL (4) IL173102A0 (ru)
RU (3) RU2325323C2 (ru)
TW (3) TWI345000B (ru)
WO (3) WO2005007936A2 (ru)
ZA (3) ZA200600884B (ru)

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60335117D1 (de) * 2002-09-06 2011-01-05 Element Six Ltd Verfahren zum ändern die farbe eines cvd-artigen diamanteinkristalles und dadurch hergestellte diamant-schicht
US7157067B2 (en) * 2003-07-14 2007-01-02 Carnegie Institution Of Washington Tough diamonds and method of making thereof
ATE407100T1 (de) * 2003-12-12 2008-09-15 Element Six Ltd Verfahren zum einbringen einer markierung in einen cvd-diamanten
EP1807346A4 (en) * 2004-09-10 2010-04-28 Carnegie Inst Of Washington ULTRADUR VAPOR PHASE CHEMICAL DEPOSITED DIAMOND (CVD) AND THREE-DIMENSIONAL GROWTH OF THE SAME
JP5002982B2 (ja) * 2005-04-15 2012-08-15 住友電気工業株式会社 単結晶ダイヤモンドの製造方法
US8641999B2 (en) * 2005-07-11 2014-02-04 SCIO Diamond Technology Corporation Carbon grit
TWI410538B (zh) * 2005-11-15 2013-10-01 Carnegie Inst Of Washington 建基於以快速生長速率製造之單晶ｃｖｄ鑽石的新穎鑽石的用途／應用
JP5284575B2 (ja) * 2006-10-31 2013-09-11 住友電気工業株式会社 ダイヤモンド単結晶及びその製造方法
EP2215291A1 (en) * 2007-10-02 2010-08-11 Carnegie Institution Of Washington Low pressure method annealing diamonds
US9487858B2 (en) 2008-03-13 2016-11-08 Board Of Trustees Of Michigan State University Process and apparatus for diamond synthesis
US9023306B2 (en) * 2008-05-05 2015-05-05 Carnegie Institution Of Washington Ultratough single crystal boron-doped diamond
US20100028556A1 (en) * 2008-05-09 2010-02-04 Apollo Diamond Gemstone Corporation Chemical vapor deposition colored diamond
JP2012509831A (ja) * 2008-11-25 2012-04-26 カーネギー インスチチューション オブ ワシントン 急速成長速度における単結晶ｃｖｄダイヤモンドの製造
US20100192474A1 (en) 2009-01-30 2010-08-05 Lehigh University Ultrahard stishovite nanoparticles and methods of manufacture
CN104630882B (zh) * 2009-06-26 2018-03-30 六号元素有限公司 用于制备鲜艳橙色着色的单晶cvd 金刚石的方法及其获得的产品
US9255009B2 (en) * 2009-06-26 2016-02-09 Element Six Technologies Limited Diamond material
CN101705478B (zh) * 2009-12-04 2011-06-01 北京科技大学 一种提高自支撑金刚石膜强度的方法
TW201204863A (en) 2010-05-17 2012-02-01 Carnegie Inst Of Washington Production of large, high purity single crystal CVD diamond
SG179318A1 (en) * 2010-09-27 2012-04-27 Gemesis Company S Pte Ltd Method for growing white color diamonds by using diborane and nitrogen in combination in a microwave plasma chemical vapor deposition system
GB201121642D0 (en) 2011-12-16 2012-01-25 Element Six Ltd Single crtstal cvd synthetic diamond material
GB201205743D0 (en) * 2012-03-30 2012-05-16 Element Six Ltd Pressure cartridge
JP5527628B2 (ja) * 2012-04-09 2014-06-18 住友電気工業株式会社 ダイヤモンド単結晶
US9469918B2 (en) 2014-01-24 2016-10-18 Ii-Vi Incorporated Substrate including a diamond layer and a composite layer of diamond and silicon carbide, and, optionally, silicon
US11753740B2 (en) * 2019-11-18 2023-09-12 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Diamond substrate and method for manufacturing the same
CN111778553A (zh) * 2020-07-29 2020-10-16 哈尔滨工业大学 用于提升cvd单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法
CN113816737B (zh) * 2021-09-09 2022-10-11 四川大学 一种高效制备透明金刚石材料的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5443032A (en) * 1992-06-08 1995-08-22 Air Products And Chemicals, Inc. Method for the manufacture of large single crystals
US6183818B1 (en) * 1998-10-01 2001-02-06 Uab Research Foundation Process for ultra smooth diamond coating on metals and uses thereof
RU2176683C2 (ru) * 1997-11-21 2001-12-10 Эйдженси Оф Индастриал Сайенс Энд Текнолоджи, Министри Оф Интернэшнл Трейд Энд Индастри Способ получения гомоэпитаксиальной алмазной тонкой пленки и устройство для его осуществления
US6582513B1 (en) * 1998-05-15 2003-06-24 Apollo Diamond, Inc. System and method for producing synthetic diamond

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3913280A (en) 1971-01-29 1975-10-21 Megadiamond Corp Polycrystalline diamond composites
US3745623A (en) 1971-12-27 1973-07-17 Gen Electric Diamond tools for machining
JP2620252B2 (ja) * 1987-09-17 1997-06-11 住友電気工業株式会社 窒素含有硬質炭素膜の製造方法
US4985226A (en) * 1988-06-20 1991-01-15 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Hole-burning material and production thereof
JP2921063B2 (ja) * 1990-08-22 1999-07-19 住友電気工業株式会社 高品質ダイヤモンドの気相合成方法
JP3077206B2 (ja) * 1991-01-10 2000-08-14 住友電気工業株式会社 ダイヤモンド膜及びその製造方法
US5397428A (en) * 1991-12-20 1995-03-14 The University Of North Carolina At Chapel Hill Nucleation enhancement for chemical vapor deposition of diamond
RU2006538C1 (ru) * 1992-07-14 1994-01-30 Акционерное общество "Компакт Лтд" Способ выращивания алмазов
EP0671482A1 (en) * 1994-03-11 1995-09-13 General Electric Company Toughened chemically vapor deposited diamond
JP3484749B2 (ja) * 1994-04-04 2004-01-06 住友電気工業株式会社 ダイヤモンドの合成法
US5451430A (en) * 1994-05-05 1995-09-19 General Electric Company Method for enhancing the toughness of CVD diamond
JP3728465B2 (ja) * 1994-11-25 2005-12-21 株式会社神戸製鋼所 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法
US5653800A (en) * 1995-08-03 1997-08-05 Eneco, Inc. Method for producing N-type semiconducting diamond
JPH0948694A (ja) * 1995-08-04 1997-02-18 Kobe Steel Ltd 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法
RU2099283C1 (ru) * 1996-06-05 1997-12-20 Закрытое акционерное общество "Техно-ТМ" Покрытие на основе алмазоподобного материала и способ его получения
CA2412853C (en) 2000-06-15 2009-08-25 Geoffrey Alan Scarsbrook Single crystal diamond prepared by cvd
RU2202513C1 (ru) * 2001-10-03 2003-04-20 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет Способ выращивания слоя твердого углерода
UA81614C2 (ru) * 2001-11-07 2008-01-25 Карнеги Инститьюшн Ов Вашингтон Устройство для изготовления алмазов, узел удержания образца (варианты) и способ изготовления алмазов (варианты)
US6811610B2 (en) 2002-06-03 2004-11-02 Diamond Innovations, Inc. Method of making enhanced CVD diamond
US7157067B2 (en) * 2003-07-14 2007-01-02 Carnegie Institution Of Washington Tough diamonds and method of making thereof
JP4547493B2 (ja) * 2006-02-08 2010-09-22 独立行政法人産業技術総合研究所 ダイヤモンド単結晶の製造方法及びダイヤモンド単結晶

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5443032A (en) * 1992-06-08 1995-08-22 Air Products And Chemicals, Inc. Method for the manufacture of large single crystals
RU2176683C2 (ru) * 1997-11-21 2001-12-10 Эйдженси Оф Индастриал Сайенс Энд Текнолоджи, Министри Оф Интернэшнл Трейд Энд Индастри Способ получения гомоэпитаксиальной алмазной тонкой пленки и устройство для его осуществления
US6582513B1 (en) * 1998-05-15 2003-06-24 Apollo Diamond, Inc. System and method for producing synthetic diamond
US6183818B1 (en) * 1998-10-01 2001-02-06 Uab Research Foundation Process for ultra smooth diamond coating on metals and uses thereof

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005007936A3 (en) 2006-07-20
IL207054A0 (en) 2010-12-30
AU2004258193B2 (en) 2010-09-16
US7309477B2 (en) 2007-12-18
EP1664394B1 (en) 2017-11-22
KR101151768B1 (ko) 2012-06-15
IL173102A0 (en) 2006-06-11
BRPI0412647A (pt) 2006-09-26
CA2532384A1 (en) 2005-01-27
KR101111690B1 (ko) 2012-02-17
US20060144322A9 (en) 2006-07-06
WO2005007935A3 (en) 2006-02-02
KR20060126891A (ko) 2006-12-11
CN1942610B (zh) 2010-06-09
RU2006104555A (ru) 2006-08-27
CA2532362A1 (en) 2005-01-27
EP1664373A4 (en) 2010-05-05
CN100402421C (zh) 2008-07-16
BRPI0412536A (pt) 2006-09-19
CA2532362C (en) 2012-06-26
WO2005007936A2 (en) 2005-01-27
AU2004258192B2 (en) 2008-12-04
IL173101A (en) 2011-02-28
AU2004258191B2 (en) 2009-03-12
IL173101A0 (en) 2006-06-11
US20050025886A1 (en) 2005-02-03
KR20060063887A (ko) 2006-06-12
US7157067B2 (en) 2007-01-02
KR20060035757A (ko) 2006-04-26
TWI371506B (en) 2012-09-01
CA2532227A1 (en) 2005-01-27
EP1664373A2 (en) 2006-06-07
AU2004258192A1 (en) 2005-01-27
EP1663866A2 (en) 2006-06-07
RU2324764C2 (ru) 2008-05-20
US20070077192A1 (en) 2007-04-05
HK1093334A1 (en) 2007-03-02
AU2004258191A1 (en) 2005-01-27
TWI342902B (en) 2011-06-01
KR101277228B1 (ko) 2013-06-26
JP2007531679A (ja) 2007-11-08
RU2006104552A (ru) 2006-09-10
ZA200600884B (en) 2007-03-28
WO2005007937A3 (en) 2006-02-02
US20070290408A1 (en) 2007-12-20
RU2006104551A (ru) 2006-07-27
JP2007523819A (ja) 2007-08-23
TW200513552A (en) 2005-04-16
JP4960090B2 (ja) 2012-06-27
IL173100A (en) 2010-12-30
EP1663866A4 (en) 2010-05-05
US20050011433A1 (en) 2005-01-20
US7754180B2 (en) 2010-07-13
WO2005007937A2 (en) 2005-01-27
US7713507B2 (en) 2010-05-11
HK1095611A1 (en) 2007-05-11
IL207054A (en) 2011-12-29
CA2532384C (en) 2014-04-01
HK1101705A1 (en) 2007-10-26
TW200504254A (en) 2005-02-01
CN1853001A (zh) 2006-10-25
TW200502444A (en) 2005-01-16
ZA200600885B (en) 2007-04-25
CN1823008A (zh) 2006-08-23
EP1664394A4 (en) 2010-05-05
US7115241B2 (en) 2006-10-03
CN100519831C (zh) 2009-07-29
US20060185583A1 (en) 2006-08-24
IL173100A0 (en) 2006-06-11
US20050034650A1 (en) 2005-02-17
WO2005007935A2 (en) 2005-01-27
TWI345000B (en) 2011-07-11
CN1942610A (zh) 2007-04-04
JP2007531680A (ja) 2007-11-08
BRPI0411984A (pt) 2006-08-29
US20080241049A1 (en) 2008-10-02
JP4846578B2 (ja) 2011-12-28
ZA200600883B (en) 2007-04-25
RU2323281C2 (ru) 2008-04-27
EP1664394A2 (en) 2006-06-07
AU2004258193A1 (en) 2005-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2325323C2 (ru) Твердые алмазы и способы их получения
US9023306B2 (en) Ultratough single crystal boron-doped diamond
US7594968B2 (en) Ultratough CVD single crystal diamond and three dimensional growth thereof
Hemley et al. Ultratough single crystal boron-doped diamond

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140715