WO2016068244A1 - 単結晶ダイヤモンド材料、ならびにそれを含む工具、放射温度モニター、および赤外光学部品 - Google Patents

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crystal diamond
diamond material
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light
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西林　良樹
暁彦 植田
小林　豊
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住友電気工業株式会社
住友電工ハードメタル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a black body applied material, a heat radiation temperature monitor material, a window material, an infrared optical component material, a single crystal diamond material suitably used as a heat dissipation substrate (heat sink) or a tool chip, and the single crystal diamond material. Including tools, radiation temperature monitors, and infrared optics.
  • a material that is transparent to light in the visible region such as a diamond material, is generally used, and the light in the visible region is not completely blocked. If there is a material that blocks light in the visible region and transmits light in the infrared region, it can be used as a reference for temperature measurement of a heated object in vacuum as a visible region temperature monitor chip for ideal blackbody radiation. If it is insulative, it can also be used on an electrically heated body. Moreover, it can be used as a window for monitoring the inside with infrared light while the inside is dark. It is used for windows for observation of nocturnal animals. Also, temperature measurement is possible when monitoring the tool tip temperature.
  • Non-Patent Document 1 Takashi Tsukino, Nobuaki Ota, Yoshiaki Kumazawa, Ninth Diamond Symposium Abstracts p61
  • Patent Document 2 Robert Linares, Patrick Doering, Diamond and Related Materials 8 (1999) p909
  • Patent Document 1 Japanese Tsukino, Nobuaki Ota, Yoshiaki Kumazawa, Ninth Diamond Symposium Abstracts p61
  • Patent Document 2 Robert Linares, Patrick Doering, Diamond and Related Materials 8 (1999) p909
  • JP-A-2005-512929 Patent Document 1
  • Patent Document 1 JP-T-2005-512929
  • nitrogen added as an impurity to diamond is related to vacancy defects, and absorption occurs in the wavelength range from 500 nm to 640 nm. It has been. It is known that diamonds become transparent yellow or transparent red due to such absorption.
  • boron As a method for absorbing light in the entire visible light region, the following methods are conceivable.
  • a graphite component can be included by forming polycrystalline and poor quality diamond. This can absorb and block light in the visible light region. Since diamond contains a lot of graphite components, its electrical resistance is high for direct current, but its electrical resistance is low for alternating current, and it absorbs and blocks light in the infrared region. . Further, a method of absorbing and blocking light in the visible light region by ion implantation has the same result because a graphite component (SP2 component) layer is formed in the ion implantation layer.
  • the single-crystal diamond material according to an embodiment of the present invention has a light transmittance of 410% or more and a wavelength of 750 nm or less of 15% or less at any wavelength, and an electrical insulator based on optical evaluation and electrical evaluation. It is at least one of electrical insulators.
  • a tool according to another aspect of the present invention includes the single crystal diamond material according to the above aspect.
  • a radiation temperature monitor according to still another aspect of the present invention includes the single crystal diamond material according to the above aspect.
  • An infrared optical component according to still another aspect of the present invention includes the single crystal diamond material according to the above aspect.
  • a diamond having a low light transmittance in the entire visible light region and exhibiting a black color a tool including the single crystal diamond material, a radiation temperature monitor, and an infrared optical component.
  • the single crystal diamond material according to an embodiment of the present invention has a light transmittance of 410% or more and a wavelength of 750 nm or less of 15% or less at any wavelength, and an electrical insulator and an electrical evaluation by optical evaluation. And / or an electrical insulator.
  • the light transmittance is substantially flat as specified in any single crystal diamond material regardless of the wavelength of the light (specified in JIS B0601: 2013).
  • both parallel planes with a parallelism of 0.1 ° or less
  • the arithmetic average roughness Ra of the surface is 2 nm or less (substantially perpendicular to one principal plane (from the vertical direction)
  • Transmittance of light entering and exiting from the other main surface with a deviation angle of 0.1 ° or less
  • the electrical insulator by optical evaluation refers to an optically evaluated electrical insulator (an object that does not conduct electricity substantially), and the optical evaluation preferably transmits light having a wavelength of 10.6 ⁇ m. An object whose rate is 1% or more.
  • the electrical insulator by electrical evaluation refers to an electrical insulator (an object that does not conduct electricity substantially) that has been electrically evaluated.
  • the electrical evaluation preferably has an average resistivity of 1 ⁇ 10. It is an object of 6 ⁇ cm or more.
  • the single crystal diamond material of the present embodiment is an electrical insulator as a whole within a range that is substantially used for the purpose of use, and does not include a conductive layer on the surface or a part of the inside. Means.
  • the single crystal diamond material of the present embodiment is black because the transmittance of light with a wavelength of 410 nm or more and 750 nm or less is 15% or less at any wavelength and is an optically or electrically insulating material. Has color and insulation.
  • the optical evaluation can set the transmittance of light having a wavelength of 10.6 ⁇ m to 1% or more.
  • a single crystal diamond material further has a light transmittance of 10.6 ⁇ m in wavelength of 1% or more, and thus has a black color tone and infrared light transmittance, that is, optical insulation.
  • the electrical evaluation can be made such that the average resistivity is 1 ⁇ 10 6 ⁇ cm or more.
  • the average resistivity of the single crystal diamond material of the present embodiment is that when a current is passed at 25 ° C. under a voltage of 50 V using a titanium vapor-deposited electrode, the voltage, the current, the area of the titanium vapor-deposited electrode, The average resistivity calculated from the distance between the main surfaces.
  • Such a single crystal diamond material has a black color tone and electrical insulation.
  • the transmittance of light having a wavelength of 410 nm or more and 750 nm or less can be 3% or less at any wavelength.
  • this single crystal diamond has a jet black color tone and insulation.
  • the total nitrogen concentration can be 8 times or more of the isolated substitutional nitrogen concentration.
  • the total nitrogen concentration is measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS), and the isolated substitutional nitrogen concentration is measured by electron spin resonance analysis (ESR).
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • ESR electron spin resonance analysis
  • the total nitrogen concentration can be 1 ppm or more. Thereby, such a single crystal diamond has a black color tone and insulation.
  • the non-substituted nitrogen concentration obtained by subtracting the isolated substituted nitrogen concentration from the total nitrogen concentration can be 0.875 ppm or more.
  • the non-substituted nitrogen concentration is a value obtained by subtracting the isolated substituted nitrogen measured by ESR from the total nitrogen concentration measured by SIMS.
  • the vacancy concentration can be made higher than 0.1 times the non-substituted nitrogen concentration.
  • the vacancy concentration can be higher than at least one of the isolated substitutional nitrogen concentration, the non-substitutional nitrogen concentration, the total nitrogen concentration, and 1 ppm.
  • the vacancy concentration is obtained by a positron annihilation method quantified and calibrated by an ion implantation method.
  • the concentration of vacancies combined with impurities measured by ESR is supplementarily used.
  • the total impurity element concentration of at least one impurity element selected from the group consisting of magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, and sulfur can be 50 ppb or more.
  • the total impurity element concentration is measured by SIMS.
  • the total impurity element concentration of at least one impurity element selected from the group consisting of magnesium, aluminum, silicon, phosphorus and sulfur is the total substitutional impurity element concentration of the above impurity elements. It can be 8 times or more.
  • the total impurity element concentration is measured by SIMS, and the total substitutional impurity element concentration is measured by ESR.
  • the total boron concentration can be made equal to or less than the total nitrogen concentration.
  • the total boron concentration and the total nitrogen concentration are measured by SIMS.
  • Such single crystal diamond can contain a large amount of nitrogen without being imparted with conductivity, and has a black color tone and insulation.
  • a tool according to another embodiment of the present invention includes the single crystal diamond material of the above embodiment. For this reason, the tool of this embodiment can be made into a tool with few cracks at the time of tool manufacture and use.
  • a radiation temperature monitor according to still another embodiment of the present invention includes the single crystal diamond material of the above embodiment. For this reason, the radiation temperature monitor of this embodiment is closer to black body radiation and can evaluate the true temperature.
  • An infrared optical component according to still another embodiment of the present invention includes the single crystal diamond material of the above embodiment. For this reason, the infrared optical component of this embodiment has very little leakage of visible light, and can sufficiently detect infrared light.
  • the transmittance of light having a wavelength of 410 nm or more and 750 nm or less is 15% or less at any wavelength, preferably 10% or less, and more preferably 8% or less.
  • the single crystal diamond material of the present embodiment is at least one of an electrical insulator by optical evaluation and an electrical insulator by electrical evaluation.
  • the single crystal diamond of the present embodiment has a light transmittance of 410% or more and a wavelength of 750 nm or less at 15% or less at any wavelength, and is an electrical insulator in at least one of optical evaluation and electrical evaluation. Therefore, it has a black color tone and insulation.
  • the light transmittance of the single crystal diamond material of the present embodiment is important because the light path is important, and the light path is specified and defined as follows. That is, regardless of the wavelength of the light, it is substantially flat (arbitrary average roughness Ra of the surface specified in JIS B0601: 2013) specified arbitrarily in the single crystal diamond material and parallel ( When both principal planes (with a parallelism of 0.1 ° or less) are defined as both principal surfaces, they are incident on one principal surface substantially perpendicularly (with a deviation angle of 0.1 ° or less from the vertical direction) and the other Transmittance of light emitted from the main surface, in other words, when both main surfaces having an arithmetic average roughness Ra of 2 nm or less and a parallelism of 0.1 ° or less are formed by processing, It refers to the transmittance of light incident on the principal surface with a deviation angle of 0.1 ° or less from the vertical direction and emitted from the other principal surface.
  • the electrical insulator by optical evaluation refers to an optically evaluated electrical insulator (an object that does not conduct electricity substantially), and the transmittance in the infrared wavelength region of 10.6 ⁇ m is zero. This is preferably an object having a transmittance of light of 10.6 ⁇ m in wavelength of 1% or more.
  • the electrical insulator by electrical evaluation means an electrical insulator (an object that does not conduct electricity substantially) evaluated electrically, and can be indicated by an average resistivity not being zero, preferably An object having an average resistivity of 1 ⁇ 10 6 ⁇ cm or more.
  • the average resistivity of the single crystal diamond material of the present embodiment is that when a current is passed at 25 ° C. under a voltage of 50 V using a titanium vapor-deposited electrode, the voltage, the current, the area of the titanium vapor-deposited electrode, The average resistivity calculated from the distance between the main surfaces.
  • the single crystal diamond material of the present embodiment has a low light transmittance in the visible region of 410 nm or more and 750 nm or less, and is an insulator in at least one of optical and electrical. It can be ideal black body radiation and can heat the object to be insulated. In addition, it is not just a black object such as soot, it is not metallic, but it has a sense of depth and a three-dimensional appearance.
  • the single crystal diamond material of the present embodiment is not a black body due to the SP2 bond of carbon, but is a pure diamond formed by the SP3 bond of carbon, and is easily cracked or chipped even at high temperatures. There is no.
  • the transmittance of light with a wavelength of 530 nm which is highly visible to humans, is 20% or less, it becomes a diamond whose color tone is black (hereinafter also referred to as a black diamond), but it is insufficient in terms of blocking light.
  • a diamond having a dark color tone hereinafter referred to as a black diamond.
  • the black color tone is improved when the light transmittance is 1/2 or less, preferably 1/3 or less, more preferably about 1/4 or less of the reflectance. And is sufficiently blocked by light absorption.
  • both main surfaces are flat (the arithmetic average roughness Ra of the surface is 2 nm or less) and parallel (parallelism is 0.1 ° or less) What has a shape should just make light incident on one main surface substantially perpendicularly (the deviation angle from a perpendicular direction is 0.1 degrees or less).
  • the shortest distance is What is necessary is to produce a flat parallel surface as described above and to make light incident perpendicularly to one flat parallel surface.
  • reflection and scattering are measured with an integrating sphere-type reflection / scattering measurement device. Then, while maintaining the same optical incidence, the transmittance can be measured by measuring the amount of light absorbed by the laser calorimeter by increasing the temperature and subtracting the reflected light and the absorbed light from the incident light. Further, in order to prevent a unique value depending on the shape of the single crystal diamond material, the incident direction can be changed randomly, and the average value of the values measured five times can be used as the transmittance.
  • the transmittance of light having a wavelength of 410 nm or more and 750 nm or less can be measured by scanning the wavelength between 410 nm and 750 nm using a spectrophotometer. In the case of measuring with laser light, it is sufficient that the opposing flat and parallel surfaces have an area corresponding to at least a diameter of 3 mm.
  • the light transmittance T is a percentage of the intensity I 1 of the transmitted light with respect to the intensity I 0 of the incident light.
  • T (%) I 1 / I 0 ⁇ 100 (1) Defined by
  • the transmittance defined by the above formula (1) takes into account multiple reflections on the principal surface parallel to the reflectance (parallelism is 0.1% or less), and air and single crystal diamond.
  • ⁇ is an absorption coefficient (unit: cm ⁇ 1 )
  • D is a distance between parallel main surfaces (unit: cm ⁇ 1 ).
  • n 1 is the refractive index of the single crystal diamond material
  • n 0 is the refractive index of the air.
  • R 1 (n 0 ⁇ n 1 ) 2 / (n 0 + n 1 ) 2
  • T 1 4n 0 n 1 / (n 0 + n 1 ) 2 (4)
  • Formula (3) and Formula (4) are represented by Formula (3) and Formula (4).
  • the average resistivity is 1 ⁇ 10 6 ⁇ cm or more, preferably 1 ⁇ 10 9 ⁇ cm or more, and more preferably 1 ⁇ 10 12 ⁇ cm or more from the viewpoint of ensuring insulation.
  • the single crystal diamond material preferably has a higher average resistivity because it is less likely to reflect minute light.
  • the transmittance of light having a wavelength of 410 nm or more and 750 nm or less is preferably 3% or less, and 1.5% or less at any wavelength. More preferred is 1% or less.
  • a diamond with a jet black tone hereinafter referred to as black lacquer
  • jet black diamond Since the reflectance of diamond is usually about 30%, a jet black color tone is obtained when the light transmittance is 1/10 or less, 1/20 or less, and further 1/30 or less of the reflectance. The blockage by absorption becomes more sufficient.
  • the light is incident on one main surface substantially perpendicularly and emitted from the other main surface 10.
  • the transmittance of light having a wavelength of .6 ⁇ m is 1% or more is an index indicating an insulator.
  • the transmittance at a wavelength of 10.6 ⁇ m is preferably 10% or more, preferably 40% or more, and more preferably 50% or more in order to obtain the function as the window.
  • the transmittance of light having a wavelength of 1 to 2 ⁇ m is preferably 10% or more, more preferably 40% or more, and further preferably 50% or more.
  • the method for measuring the transmittance of infrared light is the same as the method for measuring the transmittance of light in the visible region.
  • Far-infrared light having a wavelength of 10.6 ⁇ m is an index of infrared light from the viewpoint that it is often used by a CO 2 laser having an oscillation wavelength of 10.6 ⁇ m.
  • Near-infrared light having a wavelength of 1 to 2 ⁇ m can use the second and third harmonics of a YAG laser having an oscillation wavelength of 1.06 ⁇ m and a quantum cascade laser having a wavelength of 4 to 6 ⁇ m.
  • the total nitrogen concentration is 8 times or more, preferably 10 times or more of the isolated substitutional nitrogen concentration, from the viewpoint of having a black color tone, insulation and infrared light transmission.
  • it is 20 times or more, More preferably, it is 50 times or more, More preferably, it can be 100 times or more.
  • the total nitrogen concentration is measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry), and the isolated substitutional nitrogen concentration is measured by ESR (electron spin resonance analysis).
  • a black diamond such as the single crystal diamond material of this embodiment, preferably jet black diamond
  • it is necessary to contain a large amount of impurities in the diamond but if the diamond is excessively doped with a large amount of impurities, The crystal lattice is broken, and at least a part becomes SP2 bond and graphitizes. Therefore, it is necessary to devise a balance so that the diamond crystal lattice is relaxed but not broken while a large amount of impurities is contained in the diamond. Therefore, it is important to first contain nitrogen.
  • the non-substituted nitrogen atom refers to a nitrogen atom that is not isolatedly substituted at a diamond lattice position composed of carbon atoms, and is an isolated substituted nitrogen atom that is measured by ESR from all nitrogen atoms that are measured by SIMS.
  • N all and the vacancy concentration V are: 8 ⁇ N S ⁇ N all , 7 ⁇ N S ⁇ N N , N N ⁇ N all , 0.875 ppm ⁇ N N , and / or 1 ppm ⁇ N all are preferable, 10 ⁇ N S ⁇ N all , 9 ⁇ N S ⁇ N N , N N ⁇ N all , 4.50 ppm ⁇ N N , and / or 5 ppm ⁇ N all are more preferable, and 13 ⁇ N S ⁇ N all , 12 ⁇ N S ⁇ N N , N N ⁇ N all , 7.38 ppm ⁇ N N , and / or 8 ppm ⁇ N all are more preferable, 20 ⁇ N S ⁇ N all ,
  • the vacancy concentration V is preferably V ⁇ 1000 ⁇ N all and more preferably V ⁇ 100 ⁇ N all . This is because when V> 1000 ⁇ N all , only the vacancies increase and the crystals become brittle. More preferably N S ⁇ V, preferably 10 ⁇ N S ⁇ V. This is because when N S ⁇ V, the single crystal diamond material has no room for the entire crystal, most of the unsubstituted nitrogen atoms and isolated substituted atoms are cramped, and the crystal is very easily lost. Further, 0.1 ⁇ N N ⁇ V is preferable, and N N ⁇ V is more preferable.
  • N S ⁇ V ⁇ N N in the single crystal diamond material, a part of the non-substituted nitrogen atom and the isolated substituted atom becomes cramped, and the crystal easily lacks. Furthermore, 0.1 ⁇ N all ⁇ V is preferable, and N all ⁇ V is more preferable. This is because in N N ⁇ V ⁇ N all , in the single crystal diamond material, only a part of the non-substituted nitrogen atom and the isolated substituted nitrogen atom becomes cramped, and the crystal may be easily lost. Alternatively, V> 1 ppm is preferable, and V> 5 ppm is more preferable.
  • the vacancy concentration is determined by the positron annihilation method quantified and calibrated by the ion implantation method.
  • the lower limit vacancy concentration is estimated by supplementally using the vacancy concentration combined with impurities by the ESR method.
  • vacancies do not greatly distort the crystal lattice of diamond, they may exist alone. In this way, a large amount of nitrogen other than the isolated single substitution type can be contained in diamond by introducing defects on the growth surface of the single crystal diamond material under a high methane concentration condition. Defects include crystal defects such as dislocations, but also include surface irregularities and polishing damage.
  • Nitrogen is introduced into the single crystal diamond by introducing nitrogen gas (N 2 ) into the synthesis atmosphere.
  • the gas is not limited to nitrogen gas, but may be nitrogen-containing gas such as ammonia gas (NH 3 ) or laughing gas (N 2 O).
  • the non-substituted nitrogen concentration is preferably 0.875 ppm or more from the viewpoint of having a dark color tone, preferably jet black color tone, insulation and infrared light transmission. 4.50 ppm or more, more preferably 7.38 ppm or more, further preferably 9.50 ppm or more, further preferably 19.6 ppm or more, and 29.7 ppm or more. It is particularly preferred. Both the vacancies and the non-substituted nitrogen are effective in the present invention, so it is preferable that the vacancy and the non-substituted nitrogen are in a certain amount or more, and both contribute to the effect of maintaining the lattice and the reduction in the visible region light transmittance. Even if vacancies are formed by irradiation, carbon atoms are always ejected from the lattice positions, and only the SP2 bonds increase, so the single crystal diamond material of this embodiment cannot be obtained.
  • the total nitrogen concentration is 8 times or more of the isolated substitutional nitrogen concentration.
  • the nitrogen concentration is preferably 1 ppm or more.
  • the total nitrogen concentration is more preferably 5 ppm or more, and the total nitrogen concentration is 13 times the isolated substitutional nitrogen concentration.
  • the total nitrogen concentration is more preferably 8 ppm or more, and when the total nitrogen concentration is 20 times or more of the isolated substitutional nitrogen concentration, the total nitrogen concentration is more preferably 10 ppm or more, and the total nitrogen concentration is the isolated substitutional type.
  • the nitrogen concentration is 50 times or more, the total nitrogen concentration is more preferably 20 ppm or more, and when the total nitrogen concentration is 100 times or more of the isolated substitutional nitrogen concentration, It is particularly preferred oxygen concentration is 30ppm or more.
  • the single crystal diamond material of this embodiment a large amount of nitrogen can be contained, and magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon from the viewpoint of having a black color tone, insulating properties, and infrared light transmittance.
  • the total impurity concentration of at least one impurity element selected from the group consisting of (Si), phosphorus (P) and sulfur (S) is preferably 50 ppb or more, more preferably 1 ppm or more, and 5 ppm or more. More preferably, it is more preferably 10 ppm or more.
  • the total impurity concentration of the impurity elements is measured by SIMS.
  • the concentrations of Si, P, Al, Mg, and S are C Si , C P , C Al , C Mg, and C S , respectively
  • the sum of the total nitrogen concentration N all and the total impurity element concentration of the impurity elements is 1 ppm ⁇ (N all + C Si + C P + C Al + C Mg + C S ) ⁇ 1000 ppm is preferable, and 1 ppm ⁇ (N all + C Si + C P + C Al + C Mg + C S ) ⁇ 100 ppm is more preferable.
  • the single crystal diamond material of the present embodiment has the same effect as long as the total impurity element concentration is within the above range even if it does not contain nitrogen atoms. That is, the single-crystal diamond material of the present embodiment has (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), phosphorus (P), and black from the viewpoint of having a black color tone, insulation and infrared light transmission.
  • the total impurity element concentration of at least one impurity element selected from the group consisting of sulfur (S) is preferably 50 ppb or more, more preferably 1 ppm or more, further preferably 5 ppm or more, and 10 ppm or more. More preferably.
  • concentrations of Si, P, Al, Mg and S are C Si , C P , C Al , C Mg and C S , respectively, 1 ppm ⁇ (N all + C Si + C P + C Al + C Mg + C S ) ⁇ 1000 ppm 1 ppm ⁇ (N all + C Si + C P + C Al + C Mg + C S ) ⁇ 100 ppm is more preferable.
  • the impurity elements other than nitrogen that is, at least one impurity element selected from the group consisting of (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), phosphorus (P), and sulfur (S) are also used.
  • the total impurity element concentration is preferably 8 times or more of the total substitutional impurity element concentration, more preferably 10 times or more, still more preferably 20 times or more, and more preferably 50 times or more. Particularly preferred.
  • the total impurity concentration of the impurity element is measured by SIMS, and the total substitutional impurity element concentration of the impurity element is measured by ESR.
  • the point is to include surface defects and crystal defects.
  • an element having an atomic radius larger than that of carbon is easy to introduce crystal defects.
  • These impurities can be supplied in the state of a gas such as SH 4 , PH 3 , and Al (CH 3 ) 3, but a solid source such as Si, P 2 O 5 (or InP), and Al is placed near the substrate. Easy to keep. If it is at a short distance within 10 cm from the substrate, it can be sufficiently introduced into the single crystal diamond.
  • a solid source such as heavy P-doped Si or AlP can also be used.
  • Another method for incorporating a large amount of nitrogen into single-crystal diamond is a method of incorporating boron (B) together with nitrogen (N) as impurities other than nitrogen (N). Since boron has the same atomic radius as carbon, it is easy to enter the lattice position. Moreover, it is contained in a large amount when it is added simultaneously with nitrogen. Here, if the boron concentration C B and the nitrogen concentration C N are added under the condition of C B > C N , conductivity is imparted, so it is necessary to satisfy the condition of C B ⁇ C N.
  • Boron can be introduced using B 2 H 6 , (CH 3 ) 3 B or B (OCH 3 ) 3 as a source. In the case of introducing it in combination with other impurities, a solid source such as BP or heavy B-doped Si can be used.
  • the total is measured by at least one secondary ion mass spectrometry selected from the group consisting of the above impurity elements (ie, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus and sulfur).
  • the impurity element concentration is preferably 50 ppb or more, more preferably 1 ppm or more, further preferably 5 ppm or more, and particularly preferably 10 ppm or more.
  • the single crystal diamond material of the present embodiment a large amount of impurities are mixed in the single crystal, and “black diamond” or “black diamond” is produced.
  • the long-range order in the single crystal is reduced or lost, and a thick crystal cannot be formed. That is, even if the short-range order in the single crystal is reduced or lost, only local defects are generated and the single crystal can be repaired as a whole, but crystal defects (vacancies, interstitial impurities, etc.) are enlarged. And if it increases, the long-range order in the single crystal is reduced or lost, so that it becomes amorphous, polycrystallized, or crystal breakage occurs. Impurities are contained even if it is impossible in amorphous.
  • Polycrystals tend to contain impurities at grain boundaries.
  • a method of mixing a large amount of impurities while maintaining crystallinity can be achieved by mixing in a substitution type.
  • the transmittance cannot be reduced over the entire visible region, or electrical conduction occurs.
  • impurities are mixed well, electric conduction is not generated, and black body radiation and infrared window characteristics are obtained. I came to get.
  • the single crystal diamond material of the present embodiment is advantageous in that it is thin as a plate material when used as an infrared optical component material such as an infrared window or a radiation temperature monitor material such as a black body for radiation temperature monitoring.
  • the thickness is preferably 5 mm or less, more preferably 3 mm or less, further preferably 2 mm or less, and particularly preferably 1.2 mm or less. This is not the case for applications that use colors that do not need to be concerned about thickness.
  • a single crystal diamond seed substrate is prepared as a seed substrate of a single crystal diamond material.
  • plate-shaped materials such as natural single crystal diamond, high-pressure synthetic single crystal diamond, and vapor-phase synthetic single crystal diamond are prepared.
  • 6 mm square or 8 mm square high pressure synthetic single crystal diamond seed substrates can be prepared.
  • a mosaic single crystal diamond seed substrate in which a plurality of single crystals are connected can be prepared. The size can be 16 mm square or more.
  • the mosaic is also referred to as a single crystal because the individual single crystals are aligned within a plane orientation of 0.5 ° or less, and are considered single crystals in a broad sense. .
  • the seed substrate is mechanically polished flat.
  • the density of crystal defects such as dislocations in the seed substrate is preferably 1000 / mm 2 or more.
  • a special substrate formed by high-load polishing
  • having a surface arithmetic average roughness Ra (referred to as arithmetic average roughness Ra specified in JIS B0601: 2013, hereinafter the same) of 5 nm to 100 nm.
  • high load polishing means, for example, polishing with a high load 1.5 times or more of normal polishing conditions, and not only the surface is roughened, but also damage to crystals near the surface of the diamond is increased. This makes it easier to introduce non-substitutional impurities and vacancies than usual.
  • a seed substrate having a surface arithmetic average roughness Ra specified in JIS B0601: 2013 of 10 nm to 30 nm is prepared.
  • a substrate (step substrate) on which a growth step is formed by inserting one groove per 100 ⁇ m can be prepared.
  • the step substrate one having an off angle of preferably 1 ° to 15 °, more preferably 3 ° to 10 °, and further preferably 5 ° to 8 ° is used.
  • the normal surface of the seed substrate for epitaxially growing a normal single crystal diamond material other than the present invention should have an arithmetic average roughness Ra of less than 3 nm.
  • the present invention is a seed having the above normal surface. It is important to use a seed substrate having a surface suitable for the present invention by controlling defects and surface conditions without using a substrate.
  • a single crystal diamond material is epitaxially grown on the seed substrate by a CVD (chemical vapor deposition) method.
  • CVD chemical vapor deposition
  • a hot filament CVD method a microwave plasma CVD method, a direct current plasma CVD method, a direct current arc discharge plasma CVD method, or the like can be used.
  • the microwave plasma CVD method and the direct current plasma CVD method are preferable because impurities can be easily controlled.
  • a single crystal diamond material is epitaxially grown by generating plasma by applying a microwave of 45 GHz ( ⁇ 50 MHz) or 915 MHz ( ⁇ 50 MHz) with a power of 100 W to 60 kW and depositing active species on the seed substrate. be able to.
  • the furnace pressure is preferably 4 kPa or more and 53.2 kPa or less, more preferably 8 kPa or more and 40 kPa or less, and further preferably 10 kPa or more and 20 kPa or less. If the pressure in the furnace is less than 4 kPa, it takes time to grow, or the polycrystal tends to grow. On the other hand, when the pressure in the furnace exceeds 53.2 kPa, the discharge becomes unstable or concentrates in one place during the growth, making it difficult to grow for a long time.
  • the temperature of the seed substrate is preferably 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower, and more preferably 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. If the substrate temperature is less than 800 ° C., it takes time to grow. On the other hand, when the temperature of the substrate exceeds 1300 ° C., graphite tends to grow.
  • the ratio of the methane gas concentration to the hydrogen gas concentration is preferably 7% to 30%, and the ratio of the nitrogen gas concentration to the methane gas concentration is preferably 0.1% to 10%.
  • This also has the effect of using a special seed substrate (rough surface seed substrate formed by high load polishing) having a surface arithmetic average roughness Ra of 5 nm to 100 nm, and the total number of nitrogen atoms in the single crystal diamond.
  • a single crystal diamond material in which the ratio of the number of isolated substitutional nitrogen atoms in the single crystal diamond is 0.1% or more and 20% or less can be obtained.
  • a single crystal diamond in which the concentration of all nitrogen atoms in the single crystal diamond material is 0.5 ppm to 100 ppm and the concentration of isolated substitutional nitrogen atoms is 30 ppb to 5 ppm can be obtained.
  • the ratio of the methane gas concentration to the hydrogen gas concentration is more preferably 10% or more and 25% or less, and further preferably 16% or more and 25% or less.
  • the ratio of the nitrogen gas concentration to the methane gas concentration is more preferably 0.5% to 10%, and further preferably 1% to 10%.
  • the nitrogen gas concentration Cn (%) and the methane gas concentration Cc (%) are expressed by the following equation (6).
  • a + B ⁇ log10Cn Cc (6) (In formula (6), 10 ⁇ A ⁇ 20, 2 ⁇ B ⁇ 7) It is preferable to satisfy the relationship.
  • Special seed substrate (rough surface formed by high-load polishing) with an arithmetic average roughness Ra of 5 nm to 100 nm while the nitrogen gas concentration Cn (%) and the methane gas concentration Cc (%) satisfy the above relationship.
  • a single crystal diamond material is grown on a seed substrate. The single crystal diamond material thus obtained can reduce the light transmittance in the visible region to 15% or less, and can improve the fracture resistance while maintaining the hardness of the single crystal diamond material.
  • a solid piece is placed near the single crystal substrate and exposed to microwave plasma to be mixed into the synthesis gas atmosphere and doping is performed.
  • the impurity is silicon, semiconductor silicon or quartz can be used as the solid, and when the impurity is aluminum, the solid can be single crystal sapphire or polycrystalline alumina.
  • the growth under the condition ⁇ in which a large amount of impurities (for example, nitrogen) is added is continued for a certain period of time to obtain a certain thickness D A. comes to the growth in conditions eliminate all impurities (nitrogen including) beta, also continued another certain time, after a certain thickness D B, repeats to grow again in a subsequent original condition ⁇ It is preferable.
  • impurities nitrogen including
  • D A and D B In the epitaxial growth of single crystal diamond material, the preferred relationship between D A and D B is: When 10 ppm ⁇ N all , D A ⁇ 0.5 mm and 0.008 mm ⁇ D B When 5 ppm ⁇ N all ⁇ 10 ppm, D A ⁇ 0.8 mm and 0.005 mm ⁇ D B When 1 ppm ⁇ N all ⁇ 5 ppm, D A ⁇ 1.2 mm and 0.003 mm ⁇ D B It is. N all is the total amount of nitrogen. D B is better as thin as possible, but if it is too thin than the above-mentioned conditions, can not be completely reset, not the floor well. D A also graphite component is rapidly many too thick than the above conditions.
  • n is the number of repetition cycles. Increasing the number of repetitions can increase the thickness and decrease the transmittance. If N all is less than 1 ppm, an unrealizable thickness is required to produce the black of the present invention.
  • Separation of Single Crystal Diamond Material from Seed Substrate the epitaxially grown single crystal diamond is separated from the seed substrate to obtain a single crystal diamond material.
  • Separation methods include, for example, a method of cutting by laser irradiation, a method in which a separation boundary is formed in advance by ion implantation, a single crystal diamond material is grown on the ion implantation surface, and then separated at the separation boundary surface of ion implantation, etc. Is mentioned.
  • a tool according to another embodiment of the present invention includes the single crystal diamond material of the above embodiment. For this reason, the tool of this embodiment can be made into a tool with few cracks at the time of tool manufacture and use.
  • the tool of this embodiment is not particularly limited, and examples thereof include cutting tools, milling wipers, end mills, drills, reamers, cutters, dressers, wire guides, wire drawing dies, water jet nozzles, diamond knives, glass cutters, scribers, and the like. .
  • a radiation temperature monitor according to still another embodiment of the present invention includes the single crystal diamond material of the above embodiment. For this reason, the radiation temperature monitor of this embodiment is closer to black body radiation and can evaluate the true temperature. There is no restriction
  • An infrared optical component according to still another embodiment of the present invention includes the single crystal diamond material of the above embodiment. For this reason, the infrared optical component of the present embodiment has a minimum visible light leakage and can sufficiently detect infrared light.
  • the infrared optical component of the present embodiment is not particularly limited, and specific examples include an infrared window, an infrared lens, an infrared window screen that shields scattered objects and dust, and the like.
  • Example I Preparation of Seed Substrate
  • three substrates (thickness 500 ⁇ m, 5 mm square) made of Ib type single crystal diamond prepared by a high temperature / high pressure synthesis method were prepared.
  • the plane orientation of the main surface of these substrates was the (001) plane.
  • the main surfaces of these prepared seed substrates were mechanically polished so as to be off by 3 ° in the [001] direction from the (001) plane.
  • the surface of these seed substrates was roughened by forming a polishing flaw by controlling the speed with a metal bond diamond grindstone so that the arithmetic average roughness Ra was 10 nm.
  • the above three seed substrates were placed in a known microwave plasma CVD apparatus, and three single crystal diamond materials having different nitrogen concentrations were epitaxially grown on the three seed substrates.
  • the microwave frequency was 2.45 GHz
  • the microwave power was 5 kW
  • the growth time was 60 hours.
  • three types of vapor phase synthetic single crystal diamond materials having a thickness of 1.2 mm were formed.
  • Samples I-1 to I-3 are single crystal diamond materials prepared using a seed substrate having a surface arithmetic average roughness Ra of 10 nm, and the total nitrogen concentrations are 10 ppm, 20 ppm, and 30 ppm, respectively.
  • the substitutional nitrogen concentrations were 100 ppb, 180 ppb, and 250 ppb, respectively.
  • the comparative sample had a total nitrogen concentration of 150 ppm and an isolated substitutional nitrogen concentration of 150 ppm.
  • Samples I-1 to I-3 have light transmittances of 14%, 9%, and 1.5% at wavelengths exhibiting the maximum transmittance in the visible region of 410 nm to 750 nm, respectively. , "Black Diamond” and “Black Jet Diamond”. Samples I-1 to I-3 were all used for radiation temperature monitoring and showed accurate temperatures that were suitable for the actual situation.
  • a cutting tool was prepared and tested using the obtained single crystal diamond material. The test was performed using an aluminum material A5052 as a work material, a cutting speed of 500 m / min, a cutting depth of 0.01 mm, and a feed amount of 0.01 mm / rev. As a result, it was confirmed that there were few chips and excellent wear resistance.
  • Samples I-1 to I-3 are all black as the window material, substantially blocking visible light, and transmitting infrared light with a wavelength of 10.6 ⁇ m for 40% or more, 62% and 55 respectively. %, 48%.
  • the comparative sample was a yellow transparent plate and transmitted light with a wavelength of 750 nm.
  • a Ti electrode having a diameter of 1.6 mm is formed on both sides of a plate which is polished on both sides so that the plate thickness of each sample is 0.5 mm, the arithmetic average roughness Ra of the surface is 1 nm or less, and the parallelism is 0.1 ° or less. It vapor-deposited to thickness and applied 50V at room temperature (25 degreeC), and measured the current-voltage characteristic. In all the samples, almost no current flowed, and it was found to be 1 ⁇ 10 12 ⁇ cm or more.
  • Example II In this example, a single crystal diamond material was prepared and the physical properties were measured in the same manner as in Example I except that the surface roughness Ra of the seed substrate and the methane concentration and nitrogen concentration during crystal growth were changed.
  • the total nitrogen concentration contained in the single crystal diamond material is 10 ppm or less, the methane concentration is 10%, and when the total nitrogen concentration contained in the single crystal diamond material is higher than 10 ppm and 90 ppm or less, the methane concentration is 18%.
  • the methane concentration was 25%.
  • the nitrogen concentration was changed in the range of 0.1 to 10% to adjust the nitrogen concentration contained in the single crystal diamond material.
  • the single crystal diamond material was produced by crystal growth under the condition that nitrogen was not occasionally added, and the same nitrogen was added again to grow the crystal.
  • the total nitrogen concentration is aimed at less than 5 ppm
  • the target is 5 ppm or more and less than 10 ppm
  • 5 ⁇ m growth is performed when the thickness of the single crystal diamond is 0.7 to 0.8 mm
  • the total nitrogen concentration is 10 ppm or more and less than 90 ppm
  • the growth is 8 ⁇ m.
  • the total nitrogen concentration is larger than the isolated substitutional nitrogen concentration depending on the surface condition of the seed substrate and the crystal growth synthesis conditions of the single crystal diamond material ( That is, the total nitrogen concentration is higher than the isolated substitutional nitrogen concentration), vacancies are introduced, the light transmittance in the desired visible region is 15% or less, and the light transmittance in the infrared region having a wavelength of 10.6 ⁇ m is transmitted.
  • the rate was 40% or more, and the resistivity was 1 ⁇ 10 6 ⁇ cm or more.
  • Samples II-1 to II-8 could be used as infrared windows or as radiation temperature monitors for blackbody radiation. Cutting tools were made and tested.
  • the cutting tip was cut into a thickness of 1 to 2 mm, and the cutting edge was processed after brazing to a tool shank.
  • the test was performed using an aluminum material A5052 as a work material, a cutting speed of 500 m / min, a cutting depth of 0.01 mm, and a feed amount of 0.01 mm / rev. As a result, it was confirmed that there were few chips and excellent wear resistance. In Samples II-1 to II-8, it was considered that the high ratio of the total nitrogen concentration to the isolated substitutional nitrogen contributed to their high chipping resistance and high wear resistance.
  • Example III the surface roughness Ra of the seed substrate, the methane concentration and the nitrogen concentration during crystal growth, the total impurity element concentration and the total substitutional impurity element of at least one impurity element of Mg, Al, Si, P, and S
  • a single crystal diamond material was prepared and the physical properties were measured in the same manner as in Example I except that the concentration was changed.
  • the addition of at least one impurity element of Mg, Al, Si, P, and S is performed by placing a small piece (1 mm ⁇ 2 mm) of MgO, Al 2 O 3 , Si, InP, ZnS or the like near the seed substrate. The amount added was controlled by the number of pieces.
  • the methane concentration contained in the single crystal diamond material When the total nitrogen concentration contained in the single crystal diamond material is 10 ppm or less, the methane concentration is 10%, and when the total nitrogen concentration contained in the single crystal diamond material is higher than 10 ppm and 90 ppm or less, the methane concentration is 18%. Synthesized. The nitrogen concentration contained in the single crystal diamond material was adjusted within the range of 0.1 to 10% to adjust the nitrogen concentration contained in the single crystal diamond material. The production of the single crystal diamond material was performed in the same manner as in Example II, where the crystal was grown from time to time without nitrogen addition, and the same nitrogen was added again to grow the crystal. However, since impurity sources other than nitrogen used a solid source, the conditions were not completely absent.
  • the ratio of the total nitrogen concentration to the isolated substitutional nitrogen concentration is 2.5 depending on the surface state of the seed substrate and the crystal growth conditions of the single crystal diamond material.
  • the ratio of the total impurity element concentration to the total substitutional impurity element concentration is large in impurity elements other than nitrogen (the ratio is larger than 8 in Samples III-1 to III-7), and vacancies are also larger.
  • the transmittance of light in the desired visible region is 15% or less
  • the transmittance of light in the infrared region with a wavelength of 10.6 ⁇ m is 40% or more
  • the resistivity is 1 ⁇ 10 6 ⁇ cm or more. It was.
  • Samples III-1 to III-5 even when the total nitrogen concentration is low, other impurity elements are introduced in a large amount into the unsubstituted type, and the light transmittance in the desired visible region is 15% or less. It was. Samples III-1 to III-8 could be used as infrared windows or as radiation temperature monitors for blackbody radiation. Cutting tools were made and tested. The test was performed using an aluminum material A5052 as a work material, a cutting speed of 500 m / min, a cutting depth of 0.01 mm, and a feed amount of 0.01 mm / rev. As a result, it was confirmed that there were few chips and excellent wear resistance.
  • Example IV In this example, the same procedure as in Example I was performed, except that the surface roughness Ra of the seed substrate, the methane concentration and nitrogen concentration during crystal growth, and the concentration of at least one impurity element of B, Al, and Si were changed.
  • a single crystal diamond material was prepared and measured for physical properties. Boron was added by introducing B 2 H 6 gas, and Al and Si were added in the same manner as in Example III.
  • the methane concentration is 10%
  • the methane concentration is 18%. Synthesized.
  • the nitrogen concentration was changed in the range of 0.1 to 10% to adjust the nitrogen concentration contained in the single crystal diamond material.
  • crystals were sometimes grown under conditions without addition of nitrogen and boron, and the same nitrogen and boron were added again for crystal growth.
  • impurity elements other than nitrogen and boron used a solid source, the conditions were not completely absent. Only at that time, 10% of methane gas was added to the CO 2 gas to suppress the inclusion of impurities.
  • the standard for starting conditions without nitrogen was the same as in Example II. This is because the non-substituted impurity element is mixed in the single crystal diamond material at a high concentration without breaking the crystal lattice.
  • Table 3 “visible light transmittance” indicates the light transmittance at a wavelength exhibiting the maximum transmittance in the visible region of 410 nm to 750 nm.
  • samples IV-1 to IV-8 the total nitrogen concentration was increased compared to the isolated substitutional nitrogen concentration depending on the surface condition of the seed substrate and the crystal growth synthesis conditions of the single crystal diamond material. , Holes are also introduced, the light transmittance in the desired visible region is 15% or less, the light transmittance in the infrared region with a wavelength of 10.6 ⁇ m is 40% or more, and the resistivity is 1 ⁇ 10 6. It was ⁇ cm or more. Samples IV-1 to IV-8 could be used as infrared windows or radiation temperature monitors for blackbody radiation. Cutting tools were made and tested.

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Abstract

　単結晶ダイヤモンド材料は、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率がいずれの波長においても１５％以下であり、かつ、光学的評価による電気絶縁体および電気的評価による電気絶縁体の少なくともいずれかである。ここで、光学的評価は１０．６μｍの波長の光の透過率を１％以上とすることができ、電気的評価は平均抵抗率を１×１０6Ωｃｍ以上とすることができる。これにより、可視光領域の全領域の光の透過率が低く黒色を呈する単結晶ダイヤモンド材料が提供される。

Description

単結晶ダイヤモンド材料、ならびにそれを含む工具、放射温度モニター、および赤外光学部品
　本発明は、黒体応用材料、放熱温度モニター材料、窓材料、赤外光学部品材料、放熱基板（ヒートシンク）または工具用のチップとして好適に用いられる単結晶ダイヤモンド材料、ならびにその単結晶ダイヤモンド材料を含む工具、放射温度モニター、および赤外光学部品に関する。
　従来、可視領域で光を遮断し、赤外領域で光を透過する材料はいろいろな利用方法がある。色ガラスなどいろいろな材料も考えられるが、比較的高温（たとえば真空中あるいは不活性ガス中で７００℃以上１２００℃以下程度）で耐久性があり、高強度の熱量に耐えうる（あるいは急激な温度変化に耐えうる）ものはあまり候補がない。高強度の光に耐えられる、あるいは十分に放熱が可能な材料として、ダイヤモンド材料が挙げられる。
　しかしながら、ダイヤモンド材料のように、可視領域でも光透過性のあるものが一般的で、可視領域の光を完全に遮断することはなかった。可視領域で光を遮断し、赤外領域で光を透過する材料があれば、理想的な黒体輻射の可視領域温度モニターチップとして真空中での加熱物体の測温の参照として利用できる。それが絶縁性であれば、通電加熱体上でも利用できる。また、内部が暗室のまま赤外光で中を監視する窓として利用できる。夜行性動物観察用の窓などへの利用である。また、工具の刃先温度をモニターする場合の測温も可能となる。
　ダイヤモンドはバンドギャップが５．５ｅＶと大きく、一般には、透明であると考えられている。しかしながら、不純物によってある特定の波長において吸収を持たせることができる。たとえば、築野孝、太田進啓、熊澤佳明、第９回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集p61（非特許文献１）、Robert　Linares,　Patrick　Doering,　Diamond　and　Related　Materials　8　(1999)　p909（非特許文献２）および特表２００５－５１２９２９号公報（特許文献１）に開示されるように、ダイヤモンドに不純物として窒素が置換型でドープされると波長２７０ｎｍ付近の紫外領域で光吸収が生じることが知られている。また、特表２００５－５１２９２９号公報（特許文献１）に開示されるように、ダイヤモンドに不純物として添加された窒素が空格子欠陥と関連することにより波長５００ｎｍから６４０ｎｍ付近に吸収が生じることが知られている。このような吸収により、ダイヤモンドが透明性の黄色や透明性の赤色になることが知られている。
特表２００５－５１２９２９号公報
築野孝、太田進啓、熊澤佳明、第９回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集p61 Robert　Linares,　Patrick　Doering,　Diamond　and　Related　Materials　8　(1999)　p909
　上記の場合においては、特定の波長の光のみを吸収するに過ぎないため、可視光領域（たとえば４１０ｎｍ～７５０ｎｍ）の全域の光を遮断することは困難である。また、その特定の波長の光を遮断するのにすら、不純物の量を大量に混入させる必要がある。ダイヤモンドに大量の不純物を混入すると、ダイヤモンド結晶構造自体が壊れてしまうので、ダイヤモンドとして維持することができないという問題点があった。
　一方で、可視光領域の全域の光を吸収する方法として、以下の方法が考えられる。１つは、不純物としてホウ素を添加することである。ホウ素を微量添加すると炭素と置換型にドープされ、ダイヤモンドが青くなることが知られている。ホウ素は炭素と原子半径が近く、ダイヤモンドに含有されやすいので、ホウ素を大量に含有すると、可視光領域の光を吸収して遮断するため、吸収ダイヤモンドは黒くなる。しかしながら、このような状態では電気が流れるようになる。低抵抗になるために、可視光領域の全域の光を遮断するが、赤外領域の光も吸収して遮断してしまう。
　もう一つは、多結晶で品質の悪いダイヤモンドを形成することによって、グラファイト成分（ＳＰ２成分）が含まれるようにすることができる。これは可視光領域の光を吸収して遮断することができる。ダイヤモンドにグラファイト成分が多く含まれているため、直流に対しては電気抵抗が高くなるが、交流に対しては電気抵抗が低くなり、また、赤外領域の光も吸収して遮断してしまう。また、イオン注入によって可視光領域の光を吸収して遮断する方法も、イオン注入層にはグラファイト成分（ＳＰ２成分）の層が形成されるため、同様の結果となる。
　そこで、上記の問題点を解決して、可視領域の全域の光の透過率が低く黒色を呈するダイヤモンド、ならびにその単結晶ダイヤモンド材料を含む工具、放射温度モニター、および赤外光学部品を提供することを目的とする。
　本発明のある態様にかかる単結晶ダイヤモンド材料は、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率がいずれの波長においても１５％以下であり、かつ、光学的評価による電気絶縁体および電気的評価による電気絶縁体の少なくともいずれかである。本発明の別の態様にかかる工具は、上記態様の単結晶ダイヤモンド材料を含む。本発明のさらに別の態様にかかる放射温度モニターは、上記態様の単結晶ダイヤモンド材料を含む。本発明のさらに別の態様にかかる赤外光学部品は、上記態様の単結晶ダイヤモンド材料を含む。
　上記によれば、可視光領域の全域の光の透過率が低く黒色を呈するダイヤモンド、ならびにその単結晶ダイヤモンド材料を含む工具、放射温度モニター、および赤外光学部品を提供することができる。
　＜本発明の実施形態の説明＞
　本発明のある実施形態にかかる単結晶ダイヤモンド材料は、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率がいずれの波長においても１５％以下であり、かつ、光学的評価による電気絶縁体および電気的評価による電気絶縁体の少なくともいずれかである。本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、光の透過率とは、その光の波長の如何を問わず、単結晶ダイヤモンド材料の任意に特定される実質的に平坦で（ＪＩＳ　Ｂ０６０１：２０１３に規定する表面の算術平均粗さＲａが２ｎｍ以下で）平行な（平行度が０．１°以下の）両平面を両主面とするとき、一方の主面に実質的に垂直に（垂直方向からのずれ角が０．１°以下で）入射して他方の主面から出射する光の透過率、換言すれば、加工により平行度が０．１°以下の両主面を形成したときに、一方の主面の垂直方向からのずれ角が０．１°以下で入射して他方の主面から出射する光の透過率をいう。光学的評価による電気絶縁体とは、光学的に評価した電気的絶縁体（実質的に電気を通さない物体）をいい、光学的評価とは、好ましくは、１０．６μｍの波長の光の透過率が１％以上である物体である。また、電気的評価による電気絶縁体とは、電気的に評価した電気的絶縁体（実質的に電気を通さない物体）をいい、電気的評価とは、好ましくは、平均抵抗率が１×１０6Ωｃｍ以上の物体である。補足すると、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料は、実質的に使用目的に利用される範囲において、全体が電気的絶縁体であって、表面や内部の一部に導電層を備えるものではないことを意味している。本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料は、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率がいずれの波長においても１５％以下であり、かつ、光学的または電気的に絶縁体であるため、黒々とした色調と絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、光学的評価は、１０．６μｍの波長の光の透過率を１％以上とすることができる。かかる単結晶ダイヤモンド材料は、さらに１０．６μｍの波長の光の透過率が１％以上であることから、黒々とした色調および赤外光の透過性すなわち光学的な絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、電気的評価は、平均抵抗率を１×１０6Ωｃｍ以上とすることができる。本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料の平均抵抗率とは、チタン蒸着電極を用いて５０Ｖの電圧下２５℃で電流を流したときに、その電圧、その電流と、チタン蒸着電極の面積と、両主面間の距離とから算出される平均抵抗率をいう。かかる単結晶ダイヤモンド材料は、黒々とした色調と電気的な絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率をいずれの波長においても３％以下とすることができる。これにより、かかる単結晶ダイヤモンドは、漆黒の色調と絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、全窒素濃度を孤立置換型窒素濃度の８倍以上とすることができる。ここで、全窒素濃度は、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により測定され、孤立置換型窒素濃度は、電子スピン共鳴分析（ＥＳＲ）により測定される。これにより、かかる単結晶ダイヤモンドは、黒々とした色調および絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、全窒素濃度を１ｐｐｍ以上とすることができる。これにより、かかる単結晶ダイヤモンドは、黒々とした色調および絶縁性有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、全窒素濃度から孤立置換型窒素濃度を引いた非置換型窒素濃度を０．８７５ｐｐｍ以上とすることができる。ここで、非置換型窒素濃度とは、ＳＩＭＳで測定した全窒素濃度からＥＳＲで測定した孤立置換型窒素を差し引いた値である。また、空孔濃度を非置換型窒素濃度の０．１倍より高くすることができる。これにより、かかる単結晶ダイヤモンドは、結晶を壊したり欠けさせることなく大量の窒素原子を含有することができ、黒々とした色調、絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、空孔濃度を、孤立置換型窒素濃度、非置換型窒素濃度、全窒素濃度および１ｐｐｍの少なくともいずれかより高くすることができる。ここで、空孔濃度は、イオン注入法で定量・検量された陽電子消滅法により求められる。あるいは、ＥＳＲにより測定される不純物と結合した空孔濃度が補助的に用いられる。これにより、かかる単結晶ダイヤモンドは、結晶を壊したり欠けさせることなく大量の窒素原子を含有することができ、黒々とした色調および絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リンおよびイオウからなる群から選ばれる少なくとも１種類の不純物元素の総不純物元素濃度を、５０ｐｐｂ以上とすることができる。ここで、総不純物元素濃度は、ＳＩＭＳにより測定される。これにより、かかる単結晶ダイヤモンドは、大量の窒素を含有することができ、黒々とした色調および絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リンおよびイオウからなる群から選ばれる少なくとも１種類の不純物元素の総不純物元素濃度を、上記の不純物元素の総置換型不純物元素濃度の８倍以上とすることができる。ここで、総不純物元素濃度はＳＩＭＳにより測定され、総置換型不純物元素濃度はＥＳＲにより測定される。これにより、かかる単結晶ダイヤモンド材料は、黒々とした色調および絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、全ホウ素濃度を、全窒素濃度以下とすることができる。ここで、全ホウ素濃度および全窒素濃度は、ＳＩＭＳにより測定される。かかる単結晶ダイヤモンドは、導電性を付与されることなく大量の窒素を含有することができ、黒々とした色調および絶縁性を有する。
　本発明の別の実施形態にかかる工具は、上記の実施形態の単結晶ダイヤモンド材料を含む。このため、本実施形態の工具は、工具作製時、使用時において欠けの少ない工具とすることができる。
　本発明のさらに別の実施形態にかかる放射温度モニターは、上記の実施形態の単結晶ダイヤモンド材料を含む。このため、本実施形態の放射温度モニターは、黒体輻射により近いもので、真の温度を評価できる。
　本発明のさらに別の実施形態にかかる赤外光学部品は、上記の実施形態の単結晶ダイヤモンド材料を含む。このため、本実施形態の赤外光学部品は、可視光の漏れが極めて少なく、赤外光の感知が十分にできる。
　［本発明の実施形態の詳細］
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料は、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率がいずれの波長においても１５％以下であり、好ましくは１０％以下であり、より好ましくは８％以下である。かつ、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料は、光学的評価による電気絶縁体および電気的評価による電気絶縁体の少なくともいずれかである。本実施形態の単結晶ダイヤモンドは、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率がいずれの波長においても１５％以下であり、かつ、光学的評価および電気的評価の少なくともいずれかにおいて電気絶縁体であるため、黒々とした色調と絶縁性を有する。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料の光の透過率は、光の経路が重要であるため、光の経路を特定して、以下のように定義する。すなわち、その光の波長の如何を問わず、単結晶ダイヤモンド材料の任意に特定される実質的に平坦で（ＪＩＳ　Ｂ０６０１：２０１３に規定する表面の算術平均粗さＲａが２ｎｍ以下で）平行な（平行度が０．１°以下の）両平面を両主面とするとき、一方の主面に実質的に垂直に（垂直方向からのずれ角が０．１°以下で）入射して他方の主面から出射する光の透過率、換言すれば、加工により、上記表面の算術平均粗さＲａが２ｎｍ以下で、平行度が０．１°以下の両主面を形成したときに、一方の主面の垂直方向からのずれ角が０．１°以下で入射して他方の主面から出射する光の透過率をいう。ここで、光学的評価による電気絶縁体とは、光学的に評価した電気的な絶縁体（実質的に電気を通さない物体）をいい、１０．６μｍの赤外領域の波長の透過率がゼロではないことで示すことができ、好ましくは１０．６μｍの波長の光の透過率を１％以上である物体である。また、電気的評価による電気絶縁体とは、電気的に評価した電気的な絶縁体（実質的に電気を通さない物体）をいい、平均抵抗率がゼロでないことで示すことができ、好ましくは平均抵抗率が１×１０6Ωｃｍ以上の物体である。本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料の平均抵抗率とは、チタン蒸着電極を用いて５０Ｖの電圧下２５℃で電流を流したときに、その電圧、その電流と、チタン蒸着電極の面積と、両主面間の距離とから算出される平均抵抗率をいう。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料は、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の可視領域の光の透過率が低く、かつ、光学的および電気的の少なくともいずれかにおいて絶縁体であることから、温度をモニターする際の理想的な黒体輻射になり得るとともに、加熱対象物を絶縁状態にできる。また煤（すす）のような単なる黒い物体ではなく、金属的というのでもなく、質感に奥行きが出て、立体感のあるものができる。本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料は、炭素のＳＰ２結合によって黒い物体となっているわけではなく、炭素のＳＰ３結合により形成される純粋なダイヤモンドであり、高温状態でも割れやすいとか、欠け易いということがない。
　人の視感度の高い波長５３０ｎｍの光の透過率が２０％以下になると、色調が黒いといえるダイヤモンド（以下、黒色ダイヤモンドともいう）になるが、光の遮断と言う意味では不十分である。可視光領域（４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長）の全域の光の透過率が１５％以下、好ましくは１０％以下、より好ましくは８％以下となると、黒々とした色調のダイヤモンド（以下、黒々ダイヤモンドともいう）なる。ダイヤモンドの反射率は通常３０％程度であるから、光の透過率が反射率の１／２以下、好ましくは１／３以下、より好ましくは約１／４以下になることにより黒々とした色調が得られ、光の吸収による遮断が十分なものとなる。
　上述の単結晶ダイヤモンド材料の光の透過率の定義によれば、両主面が平坦で（表面の算術平均粗さＲａが２ｎｍ以下で）平行な（平行度が０．１°以下の）平板形状を有するものは、光は一方の主面に実質的に垂直（垂直方向からのずれ角が０．１°以下）に入射させればよい。また、板状でないもの、あるいは相対する平坦で（表面の算術平均粗さＲａが２ｎｍ以下で）平行な（平行度が０．１°以下の）面がない場合は、一番距離が近いと思われるところに、相対する上記のような平坦で平行な面を作製して、１つの平坦で平行な面に実質的に垂直に光を垂入射させればよい。このようにいちばん近いところと思われるところが、本発明の規定する範囲であれば、他のほとんどのところはほとんど全て本発明の規定の範囲になるからである。さらに厳密にいうならば、レーザー形状計測器によって、形状を測定し、距離の分布をみた時に全体の７０％以上（これは、正規分布において標準偏差±σの範囲内に入る測定点が全体の６８％であることから、それより高い７０％以上の場合を示す。）が、測定点よりも距離が長ければ、その部分で代用してもよい。目で見ているところのものは、ほとんどがこの７０％の範囲に入るからである。
　なお、相対する平行面を出す、すなわち相対する平坦で平行な面を形成することができない場合（たとえば、貴重で破壊できない場合）、積分球型の反射、散乱測定装置で、反射と散乱を測定し、同じ光学入射を保ったまま、レーザーカロリーメーターで吸収された光量を温度上昇で測定し、入射光から反射光と吸収光を差し引けば、透過率が測定できる。また、単結晶ダイヤモンド材料の形状に依存する特異な値となることを防ぐために、入射方向をランダムに変えて、５回測定した数値の平均値をもって透過率とすることもできる。
　４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率は、分光光度計を用いて、波長を４１０ｎｍから７５０ｎｍの間でスキャンさせることにより、測定することができる。また、レーザー光で測定する場合は、相対する平坦で平行な面は少なくとも直径３ｍｍに相当する面積があれば足りる。
　光の透過率Ｔは、入射した光の強度Ｉ0に対する透過した光の強度Ｉ1の百分率をいい、以下の式（１）
　　Ｔ（％）＝　Ｉ1／Ｉ0　×　１００　　・・・（１）
により定義される。
　上記式（１）で定義される透過率は、厳密には反射率と平行な（平行度が０．１％以下の）主面での多重反射を考慮したものであり、空気と単結晶ダイヤモンド材料との界面での反射率Ｒ1と透過率Ｔ1とを使って、全透過率Ｔを、
　　Ｔ＝Ｔ1 2・ｅｘｐ（－αＤ）／(１－Ｒ1 2・ｅｘｐ（－αＤ））　　・・・（２）
と式（２）で表されるものである。ここで、αは吸収係数（単位：ｃｍ-1）であり、Ｄは平行な両主面間の距離（単位：ｃｍ-1）である。
　上記式（２）中の反射率Ｒ1と透過率Ｔ1は、単結晶ダイヤモンド材料の屈折率をｎ1、空気の屈折率をｎ0として、
　　Ｒ1＝（ｎ0－ｎ1）2／（ｎ0＋ｎ1）2　　・・・（３）
　　Ｔ1＝４ｎ0ｎ1　／（ｎ0＋ｎ1）2　　　・・・（４）
と式（３）および式（４）で表される。式（３）および（４）において単結晶ダイヤモンド材料の屈折率ｎ1を２．４、空気の屈折率ｎ0を１．０として計算される反射率Ｒ1および透過率Ｔ1の値を、式（２）に代入して得られる全透過率Ｔは、透明な場合（α＝０と近似される場合）、約７１％であり、実測に合う結果である。
　一方、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料の場合は、吸収係数αが大きな場合であり、上記式（２）の右辺の分母の項が１に漸近する場合となるので、透過率は、
　　Ｔ＝Ｔ1 2・ｅｘｐ（－αＤ）　　　・・・（５）
　と式（５）で表しても構わない領域である。
　単結晶ダイヤモンド材料の平均抵抗率ρavは、その電圧Ｖ0、その電流Ｉ0と、チタン蒸着電極の面積Ｓと、平行な（平行度が０．１°以下の）両主面間の距離Ｄから、ρav＝（Ｖ0／Ｉ0）・（Ｓ／Ｄ）により算出される。ここで、Ｖ0が５０Ｖ、Ｄが０．５ｍｍのときのρavを測定したものである。Ｄが０．５ｍｍで測定できない場合（たとえば板の厚さが足りない場合や、厚くて研磨できない場合）は、１００Ｖ／ｍｍの電界に相当する、電圧印加時の電流を測定すればよい。かかる平均抵抗率は、絶縁性を確保する観点から、１×１０6Ωｃｍ以上であり、１×１０9Ωｃｍ以上が好ましく、１×１０12Ωｃｍ以上がより好ましい。単結晶ダイヤモンド材料は、平均抵抗率が高い方が、微小な光をも反射されにくく好ましい。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、漆黒の色調および絶縁性を有する観点から、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率がいずれの波長においても３％以下が好ましく、１．５％以下がより好ましく、１％以下がさらに好ましい。可視領域（４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長）の全域の光の透過率が３％以下、１．５％以下、さらには１％以下となると、黒い漆を塗ったような漆黒の色調のダイヤモンド（以下、漆黒ダイヤモンドともいう）となる。ダイヤモンドの反射率は通常３０％程度であるから、光の透過率が反射率の１／１０以下、１／２０以下、さらには１／３０以下になることにより漆黒の色調が得られ、光の吸収による遮断がより十分なものとなる。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、黒々とした色調、絶縁性および赤外光の透過性を有する観点から、一方の主面に実質的に垂直に入射して他方の主面から出射する１０．６μｍの波長の光の透過率が１％以上であることは絶縁体を示している一つの指標となる。しかしながら、遠赤外線の窓として利用する場合には、その窓としての機能を得るには１０．６μｍの波長の透過率が１０％以上が好ましく、４０％以上が好ましく、５０％以上がさらに好ましい。一方で、近赤外の窓として利用する場合には、１～２μｍの波長の光の透過率が、１０％以上が好ましく、４０％以上がより好ましく、５０％以上がさらに好ましい。ここで、赤外光の透過率の測定方法は、上記の可視領域の光の透過率の測定方法と同様である。波長１０．６μｍの遠赤外光は、発振波長１０．６μｍのＣＯ2レーザーにより、よく身近で用いられるという観点から、赤外光の指標となる。波長１～２μｍの近赤外光は、発振波長１．０６μｍのＹＡＧレーザーや４～６μｍの量子カスケードレーザーの第２、第３の高調波を利用できる。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、黒々とした色調、絶縁性および赤外光の透過性を有する観点から、全窒素濃度を孤立置換型窒素濃度の８倍以上、好ましくは１０倍以上、より好ましくは２０倍以上、さらに好ましくは５０倍以上、さらに好ましくは１００倍以上とすることができる。ここで、全窒素濃度はＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）により測定され、孤立置換型窒素濃度はＥＳＲ（電子スピン共鳴分析）により測定される。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料のような黒々ダイヤモンド、好ましくは漆黒ダイヤモンドを得るためには、ダイヤモンドに大量の不純物を含有させる必要があるが、ダイヤモンドに大量の不純物をドーピングし過ぎると、ダイヤモンドの結晶格子が壊れ、少なくとも一部がＳＰ２結合となりグラファイト化する。そこで、不純物を大量にダイヤモンドに含有させつつ、ダイヤモンドの結晶格子を緩和するが壊れないようにバランスを取る工夫をする必要がある。そのために、まず、窒素を含有させることが重要である。
　しかし、ダイヤモンドに窒素を孤立置換型で含有させると、高圧合成ダイヤモンドのように黄色の透明な単結晶となるだけで、４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の全可視領域の光の透過率が低くはならない。そこで、孤立置換型窒素原子の含有量を極力抑え、孤立置換型以外（たとえば格子間侵入型）の非置換型窒素原子の含有量を高める。ここで、非置換型窒素原子とは、炭素原子からなるダイヤモンド格子位置に孤立置換していない窒素原子を指しており、ＳＩＭＳにより測定される全窒素原子からＥＳＲにより測定される孤立置換型窒素原子を差し引いたものが該当する。非置換型窒素原子を格子間位置などに配置させると結晶格子は窮屈になって壊れてしまうので、空孔を入れながら、バランスを保つ。こうすることにより、想定以上に大量の窒素をダイヤモンドに含有させることができる。これは、孤立置換型窒素原子と、非置換型窒素原子と、全窒素原子と、空孔とをバランスよくダイヤモンド中に混在させることを意味する。
　孤立置換型窒素原子と、非置換型窒素原子と、総窒素原子と、空孔とをバランスを保つために必要な孤立置換型窒素濃度ＮSと、非置換型窒素濃度ＮN、全窒素濃度Ｎallと、空孔濃度Ｖとの間の条件は、８×ＮS≦Ｎall、７×ＮS≦ＮN、ＮN≦Ｎall、０．８７５ｐｐｍ≦ＮN、および／または１ｐｐｍ≦Ｎallが好ましく、１０×ＮS≦Ｎall、９×ＮS≦ＮN、ＮN≦Ｎall、４．５０ｐｐｍ≦ＮN、および／または５ｐｐｍ≦Ｎallがより好ましく、１３×ＮS≦Ｎall、１２×ＮS≦ＮN、ＮN≦Ｎall、７．３８ｐｐｍ≦ＮN、および／または８ｐｐｍ≦Ｎallがさらに好ましく、２０×ＮS≦Ｎall、１９×ＮS≦ＮN、ＮN≦Ｎall、９．５０ｐｐｍ≦ＮN、および／または１０ｐｐｍ≦Ｎallがさらに好ましく、５０×ＮS≦Ｎall、４９×ＮS≦ＮN、ＮN≦Ｎall、１９．６ｐｐｍ≦ＮN、および／または２０ｐｐｍ≦Ｎallがさらに好ましく、１００×ＮS≦Ｎall、９９×ＮS≦ＮN、ＮN≦Ｎall、２９．７ｐｐｍ≦ＮN、および／または３０ｐｐｍ≦Ｎallが特に好ましい。また、Ｎall≦１０００ｐｐｍが好ましい。窒素が入りすぎると炭素の格子が正常に保ちにくいからである。
　このとき、空孔濃度Ｖについては、Ｖ≦１０００×Ｎallが好ましく、Ｖ≦１００×Ｎallがより好ましい。Ｖ＞１０００×Ｎallでは、空孔ばかりが多くなり、結晶がもろくなるからである。さらには、ＮS＜Ｖが好ましく、１０×ＮS＜Ｖが好ましい。ＮS≧Ｖでは、単結晶ダイヤモンド材料は、結晶全体に余裕がなくなり、非置換型窒素原子および孤立置換型原子の大部分が窮屈となり、結晶が極めて容易に欠けるからである。また、０．１×ＮN＜Ｖが好ましく、ＮN＜Ｖがより好ましい。ＮS＜Ｖ≦ＮNでは、単結晶ダイヤモンド材料は、非置換型窒素原子および孤立置換型原子の一部分が窮屈となり、結晶が容易に欠けるからである。さらには、０．１×Ｎall＜Ｖが好ましく、Ｎall＜Ｖがより好ましい。ＮN＜Ｖ≦Ｎallでは、単結晶ダイヤモンド材料は、非置換型窒素原子および孤立置換型窒素原子のごく一部分が窮屈となり、結晶が容易に欠ける場合があるからである。または、Ｖ＞１ｐｐｍであることが好ましく、Ｖ＞５ｐｐｍであることがより好ましい。Ｖ≦１ｐｐｍでは、結晶全体に余裕がなくなり、非置換型窒素原子および孤立置換型原子の少なくとも一部分が窮屈となり、結晶が容易に欠けるからである。空孔濃度は、イオン注入法で定量・検量された陽電子消滅法により求める。あるいは、ＥＳＲ法より不純物と結合した空孔濃度を補助的に用いて下限の空孔濃度を見積もる。
　空孔は、ダイヤモンドの結晶格子を大きくは歪ませないので、単独で存在する場合もある。このように孤立単一置換型以外の窒素を大量にダイヤモンドに含有させるためには、メタン濃度の高い条件で、単結晶ダイヤモンド材料の成長表面に欠陥を導入しておくことで達成できる。欠陥とは転位などの結晶欠陥が含まれるが、表面の凹凸や研磨ダメージも影響し、これらも含む。窒素は窒素ガス（Ｎ2）を合成雰囲気中に導入することで、単結晶ダイヤモンド中に導入する。ガスは窒素ガスに限らず、アンモニアガス（ＮＨ3）、笑気ガス（Ｎ2Ｏ）などの窒素を含むガスであってもよい。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、黒々とした色調好ましくは漆黒の色調、絶縁性および赤外光の透過性を有する観点から、非置換型窒素濃度が、０．８７５ｐｐｍ以上であることが好ましく、４．５０ｐｐｍ以上であることがより好ましく、７．３８ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、９．５０ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、１９．６ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、２９．７ｐｐｍ以上であることが特に好ましい。空孔も非置換型窒素も本発明には効果を発揮するから一定量以上あることが好ましく、双方がバランスしながら、格子を保つ効果と可視領域光透過率の低下に寄与するからである。放射線照射によって空孔を形成しても、炭素原子が必ず格子位置からはじき出され、ＳＰ２結合が増えるばかりであるので、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料は得られない。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、黒々とした色調好ましくは漆黒の色調、絶縁性および赤外光の透過性を有する観点から、全窒素濃度が孤立置換型窒素濃度の８倍以上のとき全窒素濃度が１ｐｐｍ以上であることが好ましく、全窒素濃度が孤立置換型窒素濃度の１０倍以上のとき全窒素濃度が５ｐｐｍ以上であることがより好ましく、全窒素濃度が孤立置換型窒素濃度１３倍以上のとき全窒素濃度が８ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、全窒素濃度が孤立置換型窒素濃度２０倍以上のとき全窒素濃度が１０ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、全窒素濃度が孤立置換型窒素濃度の５０倍以上のとき全窒素濃度が２０ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、全窒素濃度が孤立置換型窒素濃度１００倍以上のとき全窒素濃度が３０ｐｐｍ以上であることが特に好ましい。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料において、大量の窒素を含有することができ、黒々とした色調、絶縁性および赤外光の透過性を有する観点から、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）およびイオウ（Ｓ）からなる群から選ばれる少なくとも１種類の不純物元素の総不純物濃度が５０ｐｐｂ以上であることが好ましく、１ｐｐｍ以上であることがより好ましく、５ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、１０ｐｐｍ以上であることがさらに好ましい。上記不純物元素の総不純物濃度は、ＳＩＭＳにより測定される。
　単結晶ダイヤモンド材料に窒素を大量に含有させる別の方法として、窒素（Ｎ）以外の不純物元素であるケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、イオウ（Ｓ）などを窒素（Ｎ）と一緒に含有させる方法がある。すなわち、空孔の代わりにケイ素などを含有させ（空孔にケイ素などが入ったようになる）、それよりも多くの窒素が含有してもバランスを取ることができる。あるいはこれらの不純物元素の少なくとも２種類以上を選んで含むようにする。Ｓｉ、Ｐ、Ａｌ、ＭｇおよびＳの濃度をそれぞれＣSi、ＣP、ＣAl、ＣMgおよびＣSとすると、全窒素濃度Ｎallと上記不純物元素の総不純物元素濃度の和が、１ｐｐｍ＜（Ｎall＋ＣSi＋ＣP＋ＣAl＋ＣMg＋ＣS）＜１０００ｐｐｍであることが好ましく、１ｐｐｍ＜（Ｎall＋ＣSi＋ＣP＋ＣAl＋ＣMg＋ＣS）＜１００ｐｐｍがより好ましい。
　また、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料においては、窒素原子を含有していなくても、上記の総不純物元素濃度が上記の範囲内にあれば、同様の効果を有する。すなわち、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料は、黒々とした色調、絶縁性および赤外光の透過性を有する観点から、（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）およびイオウ（Ｓ）からなる群から選ばれる少なくとも１種類の不純物元素の総不純物元素濃度が５０ｐｐｂ以上であることが好ましく、１ｐｐｍ以上であることがより好ましく、５ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、１０ｐｐｍ以上であることがさらに好ましい。また、Ｓｉ、Ｐ、Ａｌ、ＭｇおよびＳの濃度をそれぞれＣSi、ＣP、ＣAl、ＣMgおよびＣSとすると、１ｐｐｍ＜（Ｎall＋ＣSi＋ＣP＋ＣAl＋ＣMg＋ＣS）＜１０００ｐｐｍが好ましく、１ｐｐｍ＜（Ｎall＋ＣSi＋ＣP＋ＣAl＋ＣMg＋ＣS）＜１００ｐｐｍがより好ましい。
　ここで、窒素以外の上記の不純物元素、すなわち、（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）およびイオウ（Ｓ）からなる群から選ばれる少なくとも１種類の不純物元素についても、総不純物元素濃度を総置換型不純物元素濃度の８倍以上とすることが好ましく、１０倍以上であることがより好ましく、２０倍以上であることがさらにより好ましく、５０倍以上であることが特に好ましい。上記不純物元素の総不純物濃度はＳＩＭＳにより測定され、上記不純物元素の総置換型不純物元素濃度はＥＳＲにより測定される。
　上記の不純物を添加する場合、表面欠陥、結晶欠陥を含むことがポイントであるが、原子半径が炭素より大きな元素はそれだけで、結晶欠陥を導入されやすい。これらの不純物は、ＳＨ4、ＰＨ3、Ａｌ(ＣＨ3)3などのガスの状態で供給することもできるが、Ｓｉ、Ｐ2Ｏ5（またはＩｎＰ）、Ａｌなどの固体ソースを基板近くにおいておくのが容易である。基板より１０ｃｍ以内の近距離にあれば、単結晶ダイヤモンドに十分導入可能である。複合的に導入する場合は、ヘビーＰドープＳｉやＡｌＰなどの固体ソースを利用することもできる。
　単結晶ダイヤモンドに窒素を大量に含有させるまた別の方法は、窒素（Ｎ）以外の不純物としてホウ素（Ｂ）を窒素（Ｎ）と一緒に含有させる方法である。ホウ素は原子半径が炭素と同程度なので、容易に格子位置にも入りやすい。しかも、窒素と同時に入れると多量に含有される。ここで、ホウ素濃度ＣBと窒素濃度ＣNとがＣB＞ＣNとなる条件で入れると導電性が付与されてしまうので、ＣB≦ＣNの条件とする必要がある。このような条件であれば、ホウ素が置換型で入ったとしても、ほとんどが全窒素や空孔などがキャリアを補償し、キャリアが移動できなくなり絶縁性となり、ホウ素の大部分は非置換型で入り、絶縁性を有する。ホウ素はＢ2Ｈ6、(ＣＨ3)3ＢあるいはＢ(ＯＣＨ3)3をソースとして導入可能である。他の不純物と複合的に導入する場合はＢＰ、ヘビーＢドープＳｉなどの固体ソースを利用することができる。
　ホウ素と窒素が上記比率で入っている場合においても、上記の不純物元素（すなわちマグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リンおよびイオウ）からなる群から選ばれる少なくとも１種類の２次イオン質量分析により測定される総不純物元素濃度が５０ｐｐｂ以上であることが好ましく、１ｐｐｍ以上であることがより好ましく、５ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、１０ｐｐｍ以上であることが特に好ましい。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料においては、単結晶中に不純物を多量に混入させることを実現し、「黒々ダイヤモンド」や「漆黒ダイヤモンド」を作製することである。しかしながら、不純物を多量に混入させると、単結晶中の長距離秩序が低下または失われ、厚い結晶を形成することができなかった。すなわち、単結晶中の短距離秩序が低下または失われても局部的な欠陥が発生するに過ぎず全体として単結晶を修復可能であるが、結晶欠陥（空孔、格子間不純物など）が拡大かつ増大すると、単結晶中の長距離秩序が低下または失われるため、非晶質化、多結晶化、または結晶の割れなどが発生するからである。非晶質では無理にでも不純物は含まれる。多結晶では粒界に不純物が含まれやすくなる。結晶性を維持しつつ、不純物を多く混入させる方法としては、置換型で混入させることによって達成することができる。しかしながら、全可視領域に渡って透過率を小さくするには至らず、あるいは電気伝導が発生するなどの問題があった。本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料においては、局部的な結晶を乱しながら（空孔をも導入しながら）、不純物をうまく混入させ、電気伝導を発生させず、黒体輻射や赤外線窓用特性を得るに至った。
　本実施形態の単結晶ダイヤモンド材料は、赤外線用窓などの赤外光学部品材料や放射温度モニター用黒体などの放射温度モニター用材料として用いる場合には、板材としては、薄いことも利点であり、その厚さは５ｍｍ以下であることが好ましく、３ｍｍ以下であることがより好ましく、２ｍｍ以下であることがさらに好ましく、１．２ｍｍ以下であることが特に好ましい。厚さに関して気にする必要のない色調を利用する応用の場合は、この限りではない。
　（単結晶ダイヤモンド材料の製造方法）
　１．種基板の準備
　まず、単結晶ダイヤモンド材料の種基板として単結晶ダイヤモンド種基板を準備する。種基板は、天然単結晶ダイヤモンド、高圧合成単結晶ダイヤモンド、気相合成単結晶ダイヤモンドなどの板状のものを準備する。たとえば、６ｍｍ角や８ｍｍ角の高圧合成単結晶ダイヤモンド種基板が準備できる。また、気相合成単結晶ダイヤモンドの場合は、単結晶を複数つなぎ合わせたモザイク状の単結晶ダイヤモンド種基板を用意することもできる。大きさは１６ｍｍ角あるいはそれ以上も可能である。モザイク状でも単結晶であると称しているのは、それぞれ個々の単結晶が、面方位が０．５°以内の範囲で揃っているためであり、広義の単結晶と考えているからである。
　種基板は平坦に機械研磨される。種基板の転位などの結晶欠陥密度は１０００個／ｍｍ2以上のものがよい。結晶欠陥密度が少なかった場合、表面の算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ　Ｂ０６０１：２０１３に規定する算術平均粗さＲａをいう、以下同じ。）を５ｎｍ～１００ｎｍとした特殊の基板（高荷重研磨により形成された粗表面基板）も用意する。ここで、高荷重研磨とは、たとえば、通常の研磨条件の１．５倍以上の高荷重で研磨することをいい、表面が荒れるだけでなく、ダイヤモンドの表面近傍の結晶の損傷も大きくなる。これが通常よりも非置換型不純物や空孔を導入しやすくしている。高荷重研磨を実現するためには、研磨盤などの軸が影響を受けて振動を起こすようになるために、研磨装置の振動を抑える工夫を要する。好ましくは、ＪＩＳ　Ｂ０６０１：２０１３に規定する表面の算術平均粗さＲａが１０ｎｍ～３０ｎｍの種基板を用意する。または、１００μｍ当たり１本の溝を入れて成長ステップを形成した基板（ステップ基板）も用意できる。ステップ基板は、オフ角が、好ましくは１°以上１５°以下のもの、より好ましくは３°以上１０°以下のもの、さらに好ましくは５°以上８°以下のもの、を利用する。オフ角が１°未満と小さければ、ステップが解消されて、表面が荒れた種基板ができないからである。本発明以外の通常の単結晶ダイヤモンド材料をエピタキシャル成長させるための種基板の通常の表面は、表面の算術平均粗さＲａが３ｎｍより小さいものがよいが、本発明は上記の通常の表面を有する種基板を用いないで、欠陥や表面状態を制御して、本発明に合った表面を有する種基板を用いることが重要である。
　２．単結晶ダイヤモンド材料の成長
　上記の種基板上に、ＣＶＤ（化学気相堆積）法により、単結晶ダイヤモンド材料をエピタキシャル成長させる。ＣＶＤ法としては、熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法、直流アーク放電プラズマＣＶＤ法などを用いることができる。これらの中でも、マイクロ波プラズマＣＶＤ法と直流プラズマＣＶＤ法は、不純物を制御しやすいので、好ましい。
　マイクロ波プラズマＣＶＤ法による単結晶ダイヤモンド材料のエピタキシャル成長においては、原料ガスとして水素ガス、メタンガス、窒素ガスを合成炉内に導入して、炉内圧力を４ｋＰａ以上５３．２ｋＰａ以下に保ち、周波数２．４５ＧＨｚ（±５０ＭＨｚ）、あるいは９１５ＭＨｚ（±５０ＭＨｚ）のマイクロ波を１００Ｗ～６０ｋＷの電力で投入することによりプラズマを発生させて、種基板上に活性種を堆積させることにより単結晶ダイヤモンド材料をエピタキシャル成長させることができる。
　炉内圧力は、４ｋＰａ以上５３．２ｋＰａ以下が好ましく、８ｋＰａ以上４０ｋＰａ以下がより好ましく、１０ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下がさらに好ましい。炉内圧力が４ｋＰａ未満であると成長に時間がかかったり、多結晶が成長しやすくなったりする。一方、炉内圧力が５３．２ｋＰａを超えると放電が不安定になったり、成長中に１ケ所に集中したりして、長時間の成長が困難となる。
　種基板の温度は、８００℃以上１３００℃以下であることが好ましく、９００℃以上１１００℃以下であることがより好ましい。基板の温度が８００℃未満であると成長に時間がかかる。一方、基板の温度が１３００℃を超えるとグラファイトが成長しやすくなる。
　単結晶ダイヤモンド材料を成長させる気相中、水素ガス濃度に対するメタンガス濃度の割合は７％以上３０％以下が好ましく、メタンガス濃度に対する窒素ガス濃度の割合は０．１％以上１０％以下が好ましい。これにより、表面の算術平均粗さＲａが５ｎｍ～１００ｎｍの特殊な種基板（高荷重研磨により形成された粗表面種基板）を使用している効果もあり、単結晶ダイヤモンド中の全窒素原子数に対する、単結晶ダイヤモンド中の孤立置換型窒素原子数の割合が、０．１％以上２０％以下である単結晶ダイヤモンド材料を得ることができる。さらに、単結晶ダイヤモンド材料中の全窒素原子の濃度が０．５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下、かつ、孤立置換型窒素原子の濃度が３０ｐｐｂ以上５ｐｐｍ以下である単結晶ダイヤモンドを得ることができる。水素ガス濃度に対するメタンガス濃度の割合は１０％以上２５％以下がより好ましく、１６％以上２５％以下がさらに好ましい。メタンガス濃度に対する窒素ガス濃度の割合は０．５％以上１０％以下がより好ましく、１％以上１０％以下がさらに好ましい。また、窒素ガス濃度Ｃｎ（％）とメタンガス濃度Ｃｃ（％）とが、以下の式（６）
　　Ａ　＋　Ｂ×ｌｏｇ１０Ｃｎ　＝　Ｃｃ　　・・・（６）
　　（式（６）中、１０≦Ａ≦２０、２≦Ｂ≦７）
の関係を満たすことが好ましい。窒素ガス濃度Ｃｎ（％）とメタンガス濃度Ｃｃ（％）とが上式の関係を満たしながら、表面の算術平均粗さＲａが５ｎｍ～１００ｎｍの特殊な種基板（高荷重研磨により形成された粗表面種基板）上に単結晶ダイヤモンド材料を成長させる。こうして得られる単結晶ダイヤモンド材料は、可視領域の光の透過率を１５％以下にするとともに、単結晶ダイヤモンド材料の硬度を維持しつつ、耐欠損性を向上させることができる。
　さらに、別の不純物を添加する時は、単結晶基板の近くに固体の小片をおいて、マイクロ波のプラズマ中に曝すことで、合成ガス雰囲気中に混入させ、ドーピングを行なう。不純物がケイ素の場合は、固体として半導体のケイ素または石英などが挙げられ、不純物がアルミニウムの場合は、固体としては単結晶サファイヤまたは多結晶アルミナなどが挙げられる。
　単結晶ダイヤモンド材料のエピタキシャル成長においては、厚い単結晶ダイヤモンド材料を成長させる観点から、不純物（たとえば窒素）を大量に入れた条件αでの成長を、ある一定時間つづけ、ある特定の厚さＤAになると、全ての不純物（窒素も含む）を排除した条件βでの成長を、また別の一定時間つづけ、ある特定の厚さＤBとした後に、その後元の条件αで再度成長することを繰り返すことが好ましい。これにより、多量の不純物による大きな吸収係数を維持し、なおかつ厚い単結晶ダイヤモンド材料が得られる。
　単結晶ダイヤモンドの材料のエピタキシャル成長において、上記のＤAおよびＤBとの間の好ましい関係は、
　　１０ｐｐｍ≦Ｎallのとき、ＤA≦０．５ｍｍかつ０．００８ｍｍ≦ＤB
　　５ｐｐｍ≦Ｎall＜１０ｐｐｍのとき、ＤA≦０．８ｍｍかつ０．００５ｍｍ≦ＤB
　　１ｐｐｍ≦Ｎall＜５ｐｐｍのとき、ＤA≦１．２ｍｍかつ０．００３ｍｍ≦ＤB
である。Ｎallは全窒素量である。ＤBはできるだけ薄い方がよいが、上記条件より薄すぎると、リセットしきれず、うまくゆかない。ＤAも上記条件より厚すぎるとグラファイト成分が急激に多くなる。
　上記の繰り返し成長により、最終的にできるダイヤモンド材料の厚さＤtotalは、
　　Ｄtotal　＝　ｎ×（ＤA＋ＤB）　　　・・・（７）
と式（７）で表される。ここで、ｎは、繰り返し周期の回数である。繰り返しを増やせば厚くでき、透過率も低くできる。Ｎallが１ｐｐｍより小さいと、本発明の黒を出すためには、実現できないほどの厚さが必要となる。
　３．単結晶ダイヤモンド材料の種基板からの分離
　次に、エピタキシャル成長させた単結晶ダイヤモンドを種基板から分離して、単結晶ダイヤモンド材料を得る。分離方法は、たとえば、レーザー照射により切断する方法、イオン注入で予め分離境界を形成しておき、イオン注入面上に単結晶ダイヤモンド材料を成長させ、その後イオン注入の分離境界面で分離する方法などが挙げられる。
　本発明の別の実施形態にかかる工具は、上記の実施形態の単結晶ダイヤモンド材料を含む。このため、本実施形態の工具は、工具作製時、使用時において欠けの少ない工具とすることができる。本実施形態の工具は、特に制限はなく、切削バイト、フライスワイパー、エンドミル、ドリル、リーマー、カッター、ドレッサー、ワイヤーガイド、伸線ダイス、ウォータージェットノズル、ダイヤナイフ、ガラス切り、スクライバーなどが挙げられる。
　本発明のさらに別の実施形態にかかる放射温度モニターは、上記の実施形態の単結晶ダイヤモンド材料を含む。このため、本実施形態の放射温度モニターは、黒体輻射により近いもので、真の温度を評価できる。本実施形態の放射温度モニターは、特に制限はなく、温度モニターチップ、温度モニター用のホルダーなどが挙げられる。
　本発明のさらに別の実施形態にかかる赤外光学部品は、上記の実施形態の単結晶ダイヤモンド材料を含む。このため、本実施形態の赤外光学部品は、可視光の漏れが極力少なく、赤外光の感知が十分にできる。本実施形態の赤外光学部品は、特に制限なく、（具体例）赤外用窓、赤外用レンズ、飛散物やゴミを遮蔽する赤外窓用スクリーンなどが挙げられる。
　（実施例Ｉ）
　１．種基板の準備
　種基板として、高温高圧合成法によって作製されたＩｂ型の単結晶ダイヤモンドからなる基板（厚み５００μｍ、５ｍｍ角）を３つ準備した。これらの基板の主面の面方位は（００１）面であった。準備したこれらの種基板の主面を、（００１）面から［００１］方向に３°オフするように機械研磨した。その後、これらの種基板の表面を算術平均粗さＲａが１０ｎｍになるようにメタルボンドダイヤ砥石で速度を制御して研磨傷を形成し、粗面化した。
　２．単結晶ダイヤモンド材料の成長
　上記の３つの種基板を公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に配置して、３つの種基板上に窒素含有濃度が異なる３つの単結晶ダイヤモンド材料をそれぞれエピタキシャル成長させた。ここで、マイクロ波周波数は２．４５ＧＨｚ、マイクロ波電力は５ｋＷ、成長時間は６０時間であった。こうして、厚さが１．２ｍｍの３種類の気相合成単結晶ダイヤモンド材料が形成された。
　３．単結晶ダイヤモンド材料の種基板からの分離
　得られた３種類の気相合成単結晶ダイヤモンド材料をレーザーで切断することにより、それぞれの種基板から分離し、その後、３種類の気相合成単結晶ダイヤモンド材料の表面を平坦に研磨した。
　４．単結晶ダイヤモンド材料の物性測定
　得られた３種類の単結晶ダイヤモンド材料（試料１～試料３）および準備した高温高圧合成Ｉｂ型ダイヤモンド材料（比較試料）について、全窒素濃度、孤立置換型窒素濃度、光透過率を測定した。全窒素濃度は、ＳＩＭＳにより測定した。孤立置換型窒素濃度は、ＥＳＲ分析により測定した。光透過率は、市販の分光光度計を用いて測定した。
　試料Ｉ－１～試料Ｉ－３は、表面の算術平均粗さＲａが１０ｎｍの種基板を用いて作製された単結晶ダイヤモンド材料であり、全窒素濃度がそれぞれ１０ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、３０ｐｐｍであり、孤立置換型窒素濃度がそれぞれ１００ｐｐｂ、１８０ｐｐｂ、２５０ｐｐｂであった。これに対して、比較試料は、全窒素濃度が１５０ｐｐｍであり、孤立置換型窒素濃度が１５０ｐｐｍであった。
　試料Ｉ－１～試料Ｉ－３は、４１０ｎｍ～７５０ｎｍの可視領域において最大の透過率を示す波長における光の透過率がそれぞれ１４％、９％、１．５％であり、それぞれ「黒々ダイヤモンド」、「黒々ダイヤモンド」、「漆黒ダイヤモンド」に相当するものであった。また、試料Ｉ－１～試料Ｉ－３は、全て、放射温度モニター用として利用して、実態にあった正確な温度を示した。得られた単結晶ダイヤモンド材料を用いて切削工具を作製し、試験した。試験は、被削材はアルミニウム材Ａ５０５２を用い、切削速度は５００ｍ／ｍｉｎ、切込み量０．０１ｍｍ、送り量０．０１ｍｍ／ｒｅｖの条件で行った。その結果、欠けが少なく耐摩耗性に優れたものであることが確認できた。また、試料Ｉ－１～試料Ｉ－３は、全て、窓材料として可視光をほぼ遮断して黒く、波長１０．６μｍの赤外光を４０％以上透過するものであり、それぞれ６２％、５５％、４８％であった。これに対して、比較試料は、黄色い透明板であり、波長７５０ｎｍの光をよく透過した。また、各試料の板厚を０．５ｍｍとし、表面の算術平均粗さＲａを１ｎｍ以下で、平行度を０．１°以下に両面研磨した板の裏表に直径１．６ｍｍのＴｉ電極を２００ｎｍ厚さに蒸着し、室温（２５℃）で５０Ｖ印加して、電流電圧特性を測定した。いずれの試料もほとんど電流が流れず、１×１０12Ωｃｍ以上であることが分かった。
　（実施例ＩＩ）
　本実施例では、種基板の表面粗さＲａと結晶成長時のメタン濃度および窒素濃度を変えたこと以外は、実施Ｉと同様にして単結晶ダイヤモンド材料を作製し物性を測定した。
単結晶ダイヤモンド材料に含有させる全窒素濃度が１０ｐｐｍ以下の場合はメタン濃度は１０％で合成し、単結晶ダイヤモンド材料に含有させる全窒素濃度が１０ｐｐｍより高く９０ｐｐｍ以下の場合はメタン濃度は１８％で合成し、結晶ダイヤモンド材料に含有させる全窒素濃度が９０ｐｐｍより高い場合はメタン濃度は２５％で合成した。窒素濃度は０．１～１０％の範囲で変えて、単結晶ダイヤモンド材料に含有させる窒素濃度を調整した。単結晶ダイヤモンド材料の作製は、時々窒素添加の無い条件で結晶成長させ、再度同じ窒素を添加して結晶成長させた。窒素添加の無い条件を開始する目安としては、全窒素濃度が５ｐｐｍ未満を目指す場合は、単結晶ダイヤモンドの厚さが１．０～１．２ｍｍとなった時に、３μｍ成長を行い、全窒素濃度が５ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ未満を目指す場合は、単結晶ダイヤモンドの厚さが０．７～０．８ｍｍとなった時に５μｍ成長を行い、全窒素濃度が１０ｐｐｍ以上９０ｐｐｍ未満を目指す場合は、単結晶ダイヤモンドの厚さが０．４～０．５ｍｍとなった時に８μｍ成長を行い、全窒素濃度が９０ｐｐｍ以上を目指す場合は、単結晶ダイヤモンドの厚さが０．３～０．４ｍｍとなった時に８μｍ成長を行った。これは、結晶格子を壊すことなく単結晶ダイヤモンド材料に高濃度で非置換型不純物を混入させるためであった。作製した試料ＩＩ－１～試料ＩＩ－９の結果を表１にまとめた。表１において、「可視光透過率」とは、４１０ｎｍ～７５０ｎｍの可視領域において最大の透過率を示す波長における光の透過率を示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１を参照して、試料ＩＩ－１～試料ＩＩ－８については、種基板の表面状態と単結晶ダイヤモンド材料の結晶成長合成条件により、孤立置換型窒素濃度に比べて全窒素濃度を大きく（すなわち、孤立置換型窒素濃度に対する全窒素濃度を高く）し、空孔も導入され、所望の可視領域の光の透過率が１５％以下であり、波長１０．６μｍの赤外領域の光の透過率が４０％以上であり、抵抗率が１×１０6Ωｃｍ以上であった。試料ＩＩ－１～試料ＩＩ－８は、赤外用の窓として、あるいは黒体輻射用の放射温度モニターとして使用することができた。切削工具を作製し、試験した。切削チップは、素材の厚さを１～２ｍｍの厚さに切り出し、工具用のシャンクにろう付けした後に刃先を加工した。試験は、被削材はアルミニウム材Ａ５０５２を用い、切削速度は５００ｍ／ｍｉｎ、切込み量０．０１ｍｍ、送り量０．０１ｍｍ／ｒｅｖの条件で行った。その結果、欠けが少なく耐摩耗性に優れたものであることが確認できた。試料ＩＩ－１～試料ＩＩ－８については、孤立置換型窒素に対する全窒素濃度の割合が大きいことが、それらの高い耐欠け性および高い耐摩耗性に寄与したものと考えられた。また、試料ＩＩ－１に注目して、非置換型窒素濃度が０．８８ｐｐｍ以上であると、あるいは空孔濃度と非置換型窒素濃度の和が５ｐｐｍ以上であると効果がある。試料ＩＩ－９は、孤立置換型窒素濃度に対する全窒素濃度の比が２．８であり８よりも低く、可視領域の透過率も６７％と大きかった。
　（実施例ＩＩＩ）
　本実施例では、種基板の表面粗さＲａと結晶成長時のメタン濃度および窒素濃度およびＭｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、およびＳの少なくとも１つの不純物元素の総不純物元素濃度および総置換型不純物元素濃度を変えたこと以外は、実施例Ｉと同様にして単結晶ダイヤモンド材料を作製し物性を測定した。Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、およびＳの少なくとも１つの不純物元素の添加は、種基板の近くにＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＺｎＳなどの小片（１ｍｍ×２ｍｍ）を置くことにより行ない、小片の数で添加量を制御した。単結晶ダイヤモンド材料に含有させる全窒素濃度が１０ｐｐｍ以下の場合はメタン濃度は１０％で合成し、単結晶ダイヤモンド材料に含有させる全窒素濃度が１０ｐｐｍより高く９０ｐｐｍ以下の場合はメタン濃度は１８％で合成した。単結晶ダイヤモンド材料に含有させる窒素濃度は０．１～１０％の範囲で変えて、単結晶ダイヤモンド材料に含有させる窒素濃度を調整した。単結晶ダイヤモンド材料の作製は、実施例ＩＩと同じ要領で、時々窒素添加の無い条件で結晶成長させ、再度同じ窒素を添加して結晶成長させた。ただし、窒素以外の不純物元素は固体ソースを利用したので、完全にない条件というわけではなく、その時だけＣＯ2ガスをメタンガスの１０％を添加して、不純物元素が含有すること抑制した。窒素がない条件の開始の目安は、実施例ＩＩと同じにした。これは、結晶格子を壊すことなく単結晶ダイヤモンド材料に高濃度で非置換型不純物を混入させるためであった。作製した試料ＩＩＩ－１～試料ＩＩＩ－１０の結果を表２にまとめた。表２において、「可視光透過率」とは、４１０ｎｍ～７５０ｎｍの可視領域において最大の透過率を示す波長における光の透過率を示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２を参照して、試料ＩＩＩ－１～試料ＩＩＩ－８については、種基板の表面状態と単結晶ダイヤモンド材料の結晶成長条件により、孤立置換型窒素濃度に対する全窒素濃度の比が２．５以上に大きく、窒素以外の不純物元素において、総置換型不純物元素濃度に対する総不純物元素濃度の比が大きく（試料ＩＩＩ－１～試料ＩＩＩ－７においては当該比が８以上に大きい）、空孔も導入され、所望の可視領域の光の透過率が１５％以下であり、波長１０．６μｍの赤外領域の光の透過率が４０％以上であり、抵抗率が１×１０6Ωｃｍ以上であった。試料ＩＩＩ－１～試料ＩＩＩ－５のように、全窒素濃度が低くても、他の不純物元素が非置換型に多量に導入され、所望の可視領域の光の透過率が１５％以下であった。試料ＩＩＩ－１～試料ＩＩＩ－８は、赤外用の窓として、あるいは黒体輻射用の放射温度モニターとして使用することができた。切削工具を作製し、試験した。試験は、被削材はアルミニウム材Ａ５０５２を用い、切削速度は５００ｍ／ｍｉｎ、切込み量０．０１ｍｍ、送り量０．０１ｍｍ／ｒｅｖの条件で行った。その結果、欠けが少なく耐摩耗性に優れたものであることが確認できた。試料ＩＩＩ－１～試料ＩＩＩ－８については、総置換型不純物元素濃度に対する総不純物元素濃度の割合が大きいことが、それらの高い耐欠け性および高い耐摩耗性に寄与したものと考えられた。試料ＩＩＩ－９および試料ＩＩＩ－１０は、窒素においても、上記の不純物元素においても、孤立（総）置換型元素濃度に対する全（総）元素濃度の比が８以上ではなく、可視領域の透過率が６７％と大きかった。
　（実施例ＩＶ）
　本実施例では、種基板の表面粗さＲａと結晶成長時のメタン濃度および窒素濃度およびＢ、Ａｌ、およびＳｉの少なくとも１つの不純物元素の濃度を変えたこと以外は、実施例Ｉと同様にして単結晶ダイヤモンド材料を作製し物性を測定した。ホウ素の添加はＢ2Ｈ6ガスの導入により行ない、ＡｌおよびＳｉの添加は実施例ＩＩＩと同様に行なった。単結晶ダイヤモンド材料に含有させる全窒素濃度が１０ｐｐｍ以下の場合はメタン濃度は１０％で合成し、単結晶ダイヤモンド材料に含有させる全窒素濃度が１０ｐｐｍより高く９０ｐｐｍ以下の場合はメタン濃度は１８％で合成した。窒素濃度は０．１～１０％の範囲で変えて、単結晶ダイヤモンド材料に含有させる窒素濃度を調整した。単結晶ダイヤモンド材料の作製は、時々窒素添加およびホウ素添加の無い条件で結晶成長させ、再度同じ窒素およびホウ素を添加して結晶成長させた。ただし、窒素およびホウ素以外の不純物元素は固体ソースを利用したので、完全にない条件というわけではなく、その時だけＣＯ2ガスをメタンガスの１０％を添加して、不純物が含有すること抑制した。窒素がない条件の開始の目安は、実施例ＩＩと同じにした。これは、結晶格子を壊すことなく単結晶ダイヤモンド材料に高濃度で非置換型不純物元素を混入させるためであった。作製した試料ＩＶ－１～試料ＩＶ－１０の結果を表３にまとめた。表３において、「可視光透過率」とは、４１０ｎｍ～７５０ｎｍの可視領域において最大の透過率を示す波長における光の透過率を示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３を参照して、試料ＩＶ－１～試料ＩＶ－８については、種基板の表面状態と単結晶ダイヤモンド材料の結晶成長合成条件により、孤立置換型窒素濃度に比べ、全窒素濃度を大きくし、空孔も導入され、所望の可視領域の光の透過率が１５％以下であり、波長１０．６μｍの赤外領域の光の透過率が４０％以上であり、抵抗率が１×１０6Ωｃｍ以上であった。試料ＩＶ－１～試料ＩＶ－８は、赤外用の窓として、あるいは黒体輻射用の放射温度モニターとして使用することができた。切削工具を作製し、試験した。試験は、被削材はアルミ材Ａ５０５２を用い、切削速度は５００ｍ／ｍｉｎ、切込み量０．０１ｍｍ、送り量０．０１ｍｍ／ｒｅｖの条件で行った。その結果、欠けが少なく耐摩耗性に優れたものであることが確認できた。試料ＩＶ－９および試料ＩＶ－１０は、ホウ素濃度が窒素濃度より多く混入され、抵抗率が低かったので、可視領域とともに赤外領域の透過率も低くなってしまった。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (13)

  1. 　４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率がいずれの波長においても１５％以下であり、かつ、
    　光学的評価による電気絶縁体および電気的評価による電気絶縁体の少なくともいずれかである単結晶ダイヤモンド材料。
  2. 　前記光学的評価は、１０．６μｍの波長の光の透過率が１％以上である請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド材料。
  3. 　前記電気的評価は、平均抵抗率が１×１０6Ωｃｍ以上である請求項１または請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド材料。
  4. 　４１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光の透過率がいずれの波長においても３％以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料。
  5. 　全窒素濃度が、孤立置換型窒素濃度の８倍以上である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料。
  6. 　全窒素濃度から孤立置換型窒素濃度を引いた非置換型窒素濃度が、０．８７５ｐｐｍ以上である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料。
  7. 　空孔濃度が、孤立置換窒素濃度、非置換型窒素濃度、全窒素濃度および１ｐｐｍの少なくともいずれかよりも高い請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料。
  8. 　マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リンおよびイオウからなる群から選ばれる少なくとも１種類の不純物元素の総不純物元素濃度が、５０ｐｐｂ以上である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料。
  9. 　マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リンおよびイオウからなる群から選ばれる少なくとも１種類の不純物元素の総不純物元素濃度が、前記不純物元素の総置換型不純物元素濃度の８倍以上である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料。
  10. 　全ホウ素濃度が、全窒素濃度以下である請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料。
  11. 　請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料を含む工具。
  12. 　請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料を含む放射温度モニター。
  13. 　請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材料を含む赤外光学部品。
PCT/JP2015/080571 2014-10-29 2015-10-29 単結晶ダイヤモンド材料、ならびにそれを含む工具、放射温度モニター、および赤外光学部品 WO2016068244A1 (ja)

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