WO2021149474A1 - ダイヤモンド - Google Patents

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WO2021149474A1
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diamond
black
tantalum
single crystal
atoms
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Inventor
規夫 徳田
雅嗣 長井
Original Assignee
株式会社Ｋａｎａｚａｗａ Ｄｉａｍｏｎｄ
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A44—HABERDASHERY; JEWELLERY
    • A44C—PERSONAL ADORNMENTS, e.g. JEWELLERY; COINS
    • A44C27/00—Making jewellery or other personal adornments
    • 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
    • C30B25/16—Controlling or regulating
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an artificial diamond having a black appearance or the like.
  • diamond Since diamond has excellent properties such as high hardness, high light transmittance, and wide bandgap, it is applied to tools and semiconductor devices, but it also has high jewelry value as so-called jewelry.
  • black diamond which has a black appearance, has a unique brilliance and is said to have high jewelry value.
  • conventional black diamonds are polycrystalline diamonds that utilize light scattering, or diamonds that appear black by being carbonized by laser irradiation, irradiation, heat treatment, etc. However, it is not at the level of a true black diamond.
  • Patent Document 1 discloses a CVD diamond single crystal that is brown to black when the thickness is 1 mm, but has two or more diamond single crystal layers having different absorption coefficients of light having a wavelength of 350 nm. Therefore, this is not a true black diamond either.
  • An object of the present invention is to provide a diamond composed of a single crystal having a black color or the like.
  • the diamond according to the present invention is made of single crystal diamond and has a tantalum content in the range of 10 18 to 10 21 atoms / cm 3.
  • tantalum in a single crystal diamond means that tantalum (Ta) is doped in the diamond crystal.
  • tantalum when tantalum is doped into a diamond crystal and becomes black, it can be said to be a true black diamond because it is black even if it is processed into various shapes as jewelry.
  • a method of inducing tantalum by a chemical reaction during the vapor phase synthesis of diamond can be mentioned as an example.
  • the black diamond according to the present invention is doped with tantalum in the diamond crystal, the appearance is black regardless of the subsequent processed shape as jewelry, unlike the conventional partially carbonized one.
  • a thermal filament CVD apparatus having a film forming chamber capable of controlling decompression, supply means for raw material gas and carrier gas, and exhaust means was used.
  • As the filament tantalum or an alloy thereof, or tantalum carbide was used.
  • the melting point of tantalum is 3,017 ° C, and the melting point of tantalum carbide is 3,880 ° C.
  • a diamond single crystal (100) substrate having an off angle of 7.8 degrees was placed in the film forming chamber via a substrate holder or the like.
  • the film forming chamber was set at a pressure of 4 kPa, and methane (2 to 6 sccm) was used as the raw material gas and hydrogen (100 sccm) was used as the carrier gas.
  • the methane gas concentration is preferably in the range of 1 to 10%.
  • the thermal filament has a first-layer filament layer in which a plurality of filaments are arranged in layers at predetermined heights from the substrate, and a plurality of filaments are further placed on the plurality of filaments at a predetermined distance.
  • a multi-stage thermal filament composed of a second filament layer arranged in a layered manner was used.
  • the filament layer may be three or more layers.
  • filaments having a diameter of 0.15 mm are used for the first layer and the second layer provided at intervals of 8 mm, and the distance between the first layer and the second layer is about 10 mm.
  • the heating temperature of the filament was 2,400 to about 3,000 ° C.
  • Diamond thus obtained showed a sharp peak at 1333 cm -1 in Raman spectroscopy, since the peak half width was 2.8 cm -1, confirmed that the diamond single crystal rice field.
  • the appearance was pitch black, and the tantalum content was about 10 18 atoms / cm 3 according to the secondary ion mass spectrum.
  • diamonds can be obtained by vapor phase synthesis, and in particular, they can be used as jewelry diamonds such as black diamonds.

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Abstract

【課題】黒色等を呈している単結晶からなるダイヤモンドの提供を目的とする。 【解決手段】単結晶ダイヤモンドからなり、タンタルの含有量が１０１８～１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲であることを特徴とする。

Description

ダイヤモンド
　本発明は、外観が黒色等を呈する人工のダイヤモンドに関する。
　ダイヤモンドは高硬度，高い光透過率，ワイドバンドギャップ等の優れた特性を有していることから、工具や半導体デバイス等に適用されているものの、いわゆるジュエリーとしての宝飾価値も高い。
　その中でも、外観が黒色を呈しているブラックダイヤモンドは独特の輝きを有し、ジュエリー価値が高いと言われている。
　しかし、従来のブラックダイヤモンドと称されているものは光の散乱を利用した多結晶ダイヤモンドであったり、ダイヤモンドの一部をレーザー照射，放射線照射，加熱処理等により炭化させることで黒く見せているものであり、真のブラックダイヤモンドと言えるレベルにはなっていない。
　特許文献１には、厚みが１ｍｍであるときに茶色から黒色であるＣＶＤダイヤモンド単結晶を開示するが、３５０ｎｍ波長の光の吸収係数が異なる二層以上のダイヤモンド単結晶層を有するものとなっていて、これも真のブラックダイヤモンドといえるものではない。
日本国特開２０１８－３９７２４号公報
　本発明は、黒色等を呈している単結晶からなるダイヤモンドの提供を目的とする。
　本発明に係るダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンドからなり、タンタルの含有量が１０１８～１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲であることを特徴とする。
　ここで、単結晶ダイヤモンドにタンタルを含有しているとは、タンタル（Ｔａ）がダイヤモンド結晶中にドープされていることをいう。
　ここで、タンタルがダイヤモンド結晶中にドープされ黒色になると、ジュエリー（宝飾）として各種形状に加工しても、黒色を呈していることから真のブラックダイヤモンドといえる。
　タンタルの含有量が１０１８～１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲としたのは、単結晶ダイヤモンドは炭素数が約１０２３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることから、原子数比率で表現するとＴａ：Ｃ＝１：１０５～１：１０２となる。
　ダイヤモンド結晶中にタンタルをドープさせる方法としては、ダイヤモンドの気相合成中にタンタルを化学反応により誘導する方法が例として挙げられる。
　本発明に係るブラックダイヤモンドは、ダイヤモンド結晶中にタンタルがドープされているので、従来の部分的に炭化するものとは異なり、その後のジュエリーとしての加工形状に関係なく外観が黒色を呈する。
　本発明に係るダイヤモンドは、ダイヤモンドを気相合成する際にタンタルを化学反応により結晶中に取り込むことができれば各種合成方法を採用することができるが、以下、ダイヤモンド結晶の成膜室内にて高温フィラメントを用いて原料ガスを熱分解し、ダイヤモンドの成膜を誘導する熱フィラメントＣＶＤ（ＨＦＣＶＤ）法を用いた例で説明する。
　減圧制御可能な成膜室と、原料ガス及びキャリアガスの供給手段と、排気手段を有する熱フィラメントＣＶＤ装置を用いた。
　フィラメントには、タンタル又はその合金、あるいはタンタルカーバイドを用いた。
　なお、タンタルの融点は３，０１７℃，タンタルカーバイドの融点は３，８８０℃である。
　次に、本発明に係るブラックダイヤモンドの製造例を示す。
　成膜室にオフ角７．８度のダイヤモンド単結晶（１００）基板を基板ホルダー等を介して載置した。
　成膜室を圧力４ｋＰａに設定し、原料ガスとしてメタン（２～６ｓｃｃｍ），キャリアガスとして水素（１００ｓｃｃｍ）を用いた。
　なお、メタンガス濃度は１～１０％の範囲が好ましい。
　熱フィラメントは、上記基板から所定の高さに複数のフィラメントを所定の間隔毎に層状に配置した第１層のフィラメント層を有し、さらにその上に所定の距離をおいて、複数のフィラメントを同様に層状に配置した第２層のフィラメント層からなる複数段方式の熱フィラメントとした。
　なお、フィラメントの層は３層以上でもよい。
　本実施例では、直径０．１５ｍｍのフィラメントを８ｍｍ間隔に設けた第１層及び第２層に用い、第１層と第２層との距離は約１０ｍｍである。
　フィラメントの加熱温度は、２，４００～約３，０００℃とした。
　このようにして得られたダイヤモンドは、ラマン分光法にて１３３３ｃｍ－１にシャープなピークを示し、ピーク半値幅は２．８ｃｍ－１であったことから、ダイヤモンドの単結晶であることが確認できた。
　また、外観は真っ黒であり、二次イオンマススペクトルによると、タンタルの含有量は約１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
　本発明は、気相合成によりダイヤモンドが得られ、特に黒色ダイヤモンド等の宝飾ダイヤモンドとしての利用も可能である。

Claims (3)

  1. 　単結晶ダイヤモンドからなり、タンタルの含有量が１０１８～１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲であることを特徴とするダイヤモンド。
  2. 　外観が黒色を呈するブラックダイヤモンドであることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド。
  3. 　宝飾用に用いられることを特徴とする請求項２記載のブラックダイヤモンド。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018016403A1 (ja) * 2016-07-19 2018-01-25 国立研究開発法人産業技術総合研究所 不純物ドープダイヤモンド
JP2019094516A (ja) * 2017-11-18 2019-06-20 国立大学法人金沢大学 熱フィラメントｃｖｄ装置

Patent Citations (2)

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JP2019094516A (ja) * 2017-11-18 2019-06-20 国立大学法人金沢大学 熱フィラメントｃｖｄ装置

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