надміцні монокристали cvd-алмаза і їх тривимірний зростання
Винахід відноситься до технології отримання надміцного монокристалла алмазу, вирощеного за допомогою індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази. Спосіб включає розміщення кристалічного зародка алмазу в теплопоглинальних тримачі, зробленому з речовини, що володіє високою точкою плавлення і високою теплопровідністю, щоб мінімізувати температурні градієнти в напрямку від краю до краю поверхні зростання алмазу, управління температурою поверхні зростання алмазу так, щоб температура зростаючих кристалів алмазу перебувала в діапазоні приблизно 1050-1200 ° с, вирощування монокристалів алмазу за допомогою індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази на поверхні зростання алмазу в камері осадження, в якій атмосфера характеризується співвідношенням азоту до метану приблизно 4% N2 / CH 4, і проведення відпалу монокристалів алмазу таким чином, що відпалений монокристал алмазу має міцність, щонайменше, приблизно 30 МПа м1 / 2 . 3 н. і 23 з.п. ф-ли, 4 іл., 1 табл.
Даний винахід просить пріоритет попередньої заявки на видачу патенту № 60/608516, поданої 10 вересня 2004, яка тим самим включена в даний опис у вигляді посилання в повному обсязі.
Підтвердження державного права
Даний винахід здійснено за підтримки уряду США за грантом c номером EAR-0135626 від Національного Наукового Фонду та інвентарним номером DE-FC03-03NA00144 від Міністерства Енергетики США. Уряд США має певні права на цей винахід.
Область техніки, до якої належить винахід
Винахід стосується Відпалений монокристалів CVD-алмаза (хімічно обложеного з газової фази алмазу), що має надзвичайно високу міцність. Винахід також відноситься до способу отримання тривимірного монокристалла CVD-алмаза на підкладці з монокристала алмазу з використанням індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази (MPCVD) в камері осадження.
Опис попереднього рівня техніки
Масове виробництво синтетичного алмазу довгий час було метою як наукових досліджень, так і промислового виробництва. Алмаз, крім своїх якостей дорогоцінного каменю, є найтвердішим відомим речовиною, має найвищу відомої теплопровідністю і прозорий в широкому спектрі електромагнітного випромінювання. Монокристалічний алмаз, зокрема, володіє широким діапазоном важливих властивостей, включаючи низький коефіцієнт теплового розширення, найвищу відому теплопровідність, хімічну інертність, зносостійкість, малий коефіцієнт тертя і оптичну прозорість від ультрафіолетової (УФ) області до далекої інфрачервоної (ІК) області. Тому алмаз високо цінується внаслідок його широкого кола застосувань в ряді галузей промисловості і наукових досліджень, поряд з його цінністю в якості дорогоцінного каменю.
Протягом, щонайменше, останніх двадцяти років, був доступний спосіб отримання невеликих кількостей алмазу хімічним осадженням з газової фази (CVD). Як повідомлялося Б.В. Спіциним (BVSpitsyn) з співавт. в «Vapor Growth of Diamond on Diamond and Other Surfaces», Journal of Crystal Growth, vol.52, pp.219-226, спосіб включає в себе CVD (хімічне осадження з газової фази) алмазу на підкладці з використанням комбінації метану або іншого простого вуглеводневого газу і газу водню при зниженому тиску і температурах 800-1200 ° C. Використання в суміші водню запобігає утворенню графіту, в той час як відбувається утворення центрів кристалізації і зростання алмазу. У разі використання зазначеного способу повідомлялося про швидкостях росту до 1 мкм / год.
У подальшій роботі, наприклад роботі Камо з співавт. (Kamo et al.), Про яку повідомляється в «Diamond Synthesis from Gas Phase in Microwave Plasma», Journal of Crystal Growth, vol.62, pp.642-644, показано застосування індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази (MPCVD) для отримання алмазу при тисках 1-8 кПа в межах температур 800-1000 ° C з мікрохвильової потужністю 300-700 Вт на частоті 2,45 ГГц. У зазначеному способі Камо з співавт. використовували концентрацію газу метану 1-3%. У разі використання методу MPCVD повідомлялося про максимальних швидкостях росту 3 мкм / год. В описаних вище способах і в ряді інших використаних способів швидкості росту обмежені лише кількома мікрометрами на годину.
Нещодавно повідомлялося про способи поліпшення швидкостей росту монокристалів алмазів (SC-CVD), отриманих хімічним осадженням з газової фази, і ці зазначені способи відкрили нові можливості для застосування алмазу в якості дорогоцінних каменів, в оптиці і електроніці.
Патент США № 6858078 Хемлі (Hemley) з співавт. відноситься до пристрою і технології отримання алмазів. Розкрите в патенті пристрій і технологія можуть привести до отримання алмазів, забарвлення яких змінюється від світло-коричневої до безбарвної.
Заявка на видачу патенту США № 10/889171 відноситься до відпалу монокристалів алмазів, отриманих хімічним осадженням з газової фази. Важливі особливості винаходу включають в себе нагрівання CVD-алмаза до встановленої температури, по щонайменше, 1500 ° C при тиску, щонайменше, 4,0 ГПа, які знаходяться за межами області стійкості алмазної модифікації.
Заявка на видачу патенту США № 10/889170 відноситься до алмазів з поліпшеною твердістю. У заявці наведені дані про монокристалле алмазу з твердістю більш ніж 120 ГПа.
Заявка на видачу патенту США № 10/889169 відноситься до алмазів з поліпшеною міцністю. У заявці наведені дані про монокристалле алмазу з трещиностойкостью 11-20 МПа м1 / 2 і твердістю 50-90 ГПа.
У згаданих вище повідомленнях не повідомляється про монокристалле алмаза, що має міцність більш ніж 20 МПа м1 / 2. І при цьому в них не розкривають способи отримання монокристала алмазу, що росте в трьох напрямках на підкладці з монокристала алмазу.
суть винаходу
Таким чином, даний винахід направлено на монокристал алмазу і спосіб отримання такого алмаза, який в значній мірі усуває одну або кілька проблем, обумовлених обмеженнями і недоліками попереднього рівня техніки.
Завданням цього винаходу є надміцний алмаз і спосіб отримання такого алмаза в установці для індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази. Інше завдання винаходу полягає в способі отримання монокристала алмазу, що росте в трьох напрямках, на підкладці з монокристала алмазу.
Додаткові особливості та переваги винаходу будуть вказані в наведеному нижче описі і частково будуть зрозумілі з опису або можуть бути вивчені при практичному здійсненні винаходу. Зазначені завдання і інші переваги даного винаходу будуть конкретизовані та досягнуті за допомогою установки, зокрема, зазначеної в описі і в формулі винаходу, а також додаються креслень.
Для досягнення зазначених та інших переваг і відповідно до завданням цього винаходу, яке здійснено і докладно описано, варіант здійснення даного винаходу включає в себе монокристал алмазу, вирощений за допомогою індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази, який при цьому володіє міцністю щонайменше приблизно 30 МПа м1 / 2.
В іншому варіанті здійснення даного винаходу спосіб вирощування надміцного монокристалла алмаза включає в себе
i) розміщення кристалічного зародка алмазу в теплопоглинальних тримачі, зробленому з речовини, що володіє високою точкою плавлення і високою теплопровідністю, щоб мінімізувати температурні градієнти в напрямку від краю до краю поверхні зростання алмазу;
ii) управління температурою поверхні зростання алмазу так, щоб температура зростаючих кристалів алмазу перебувала в діапазоні приблизно 1050-1200 ° C; і
iii) вирощування монокристалів алмазу за допомогою індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази на поверхню росту алмазу в камері осадження, в якій атмосфера характеризується співвідношенням азоту до метану приблизно 4% N2 / CH 4,
iv) проведення відпалу монокристалів алмазу таким чином, що відпалений монокристал алмазу має міцність, щонайменше, приблизно 30 МПа м1 / 2.
Інший варіант здійснення даного винаходу стосується способу отримання монокристала CVD-алмаза, що росте в трьох напрямках, на монокристаллической алмазної підкладці, що включає в себе
i) вирощування монокристалів на першій (100) межі монокристаллической алмазної підкладки;
ii) зміна положення монокристаллической алмазної підкладки з вирощеним на ній монокристалом алмазу і
iii) вирощування монокристалів на другий (100) межі монокристаллической алмазної підкладки.
Слід розуміти, що як попереднє загальний опис, так і подальше докладний опис є ілюстративними і пояснювальними і призначені для подальшого роз'яснення заявленого винаходу.
Короткий опис креслень
Супроводжуючі креслення, які включені для забезпечення подальшого розуміння винаходу і які включені в даний опис і складають його частину, ілюструють варіанти здійснення винаходу і разом з описом служать для пояснення принципів винаходу.
На фіг.1 наведені фотографії CVD- і aCVD-алмазів, вирощених при різних умовах.
На фіг.2 показані відбитки индентора для різних CVD- і aCVD-алмазів.
На Фіг.3 наведено спектри фотолюмінесценції різних CVD-і aCVD-алмазів.
На фіг.4 показані дані, які стосуються інфрачервоному поглинанню (FTIR) різних CVD- і aCVD-алмазів.
Детальний опис кращих варіантів
Тепер буде зроблено посилання на докладний опис кращих варіантів здійснення даного винаходу, результати якого проілюстровані на доданих кресленнях.
CVD-вирощений в індукованої мікрохвильової плазмі монокристал алмазу, що відноситься до цієї заявки, був вирощений з використанням пристрою, описаного в заявці на видачу патенту США під номером 10/288499, поданої 6 листопада 2002, в даний час є патентом США № 6858078 під назвою « Apparatus and Method for Diamond Production », яка включена в даний опис у вигляді посилання.
В одному варіанті здійснення винаходу отриманий монокристал алмазу, вирощений за допомогою індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази, який володіє міцністю, щонайменше, приблизно 30 МПа м1 / 2. В іншому варіанті здійснення міцність монокристалла алмазу становить, щонайменше, приблизно 35 МПа м1 / 2. В іншому варіанті здійснення міцність монокристалла алмазу становить, щонайменше, приблизно 40 МПа м1 / 2.
Алмази в цих варіантах здійснення винаходу піддавалися відпалу, наприклад, при температурах від приблизно 2000 ° C до близько 2700 ° C протягом приблизно 10 хвилин, використовуючи пристрій типу белт. Відпал приводив до різкого збільшення твердості алмазів. В іншому варіанті здійснення твердість становить від приблизно 100 до приблизно 160 ГПа.
Твердість у згаданих вище варіантах здійснення винаходу визначалася відповідно до рівняння Hv = 1,854 × P / D2, де P - максимальний вантаж, який використовується в індентором для освіти поглиблення в монокристалі алмазу, D означає протяжність найдовшою тріщини, що утворилася під впливом індентора в монокристалі алмазу.
Міцність, або тріщиностійкість, Kc монокристалла алмазу в згаданих вище варіантах здійснення винаходу визначалася відповідно до рівняння K c = (0,0160 ± 0,004) (E / HV) 1/2 (Р / C 3/2), де E означає модуль Юнга алмазу і C означає середню довжину радіальних тріщин в монокристалі алмазу.
Інший варіант здійснення включає спосіб вирощування надміцного монокристалла алмаза, що включає в себе
i) розміщення кристалічного зародка алмазу в теплопоглинальних тримачі, зробленому з речовини, що володіє високою точкою плавлення і високою теплопровідністю, щоб мінімізувати температурні градієнти в напрямку від краю до краю поверхні зростання алмазу;
ii) управління температурою поверхні зростання алмазу так, щоб температура зростаючих кристалів алмазу перебувала в діапазоні приблизно 1050-1200 ° C; і
iii) вирощування монокристалів алмазу за допомогою індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази на поверхні зростання алмазу в камері осадження, в якій атмосфера характеризується співвідношенням азоту до метану приблизно 4% N2 / CH 4,
iv) проведення відпалу монокристалів алмазу таким чином, що відпалений монокристал алмазу має міцність, щонайменше, приблизно 30 МПа м1 / 2.
В іншому варіанті здійснення, згаданий вище спосіб додатково включає в себе отжиг монокристалла алмаза при тисках понад від приблизно 5 до приблизно 7 ГПа і температурах від приблизно 2000 ° С до близько 2700 ° С так, що твердість становить від приблизно 100 до приблизно 160 ГПа. У ще одному варіанті здійснення монокристал алмазу до відпалу був по суті безбарвним.
Інший варіант здійснення даного винаходу стосується способу отримання монокристала CVD-алмаза, що росте в трьох напрямках на монокристаллической алмазної підкладці, що включає в себе
i) вирощування монокристалів на першій (100) межі монокристаллической алмазної підкладки;
ii) зміна положення монокристаллической алмазної підкладки з вирощеним на ній монокристалом алмазу і
iii) вирощування монокристалів на другий (100) межі монокристаллической алмазної підкладки.
В іншому варіанті здійснення для отримання монокристала CVD-алмаза, що росте в трьох напрямках,
температура осадження становить від приблизно 1150 ° С до приблизно 1250 ° С.
В іншому варіанті здійснення тривимірний отриманий алмаз має розміром, більшим, ніж приблизно один кубічний дюйм.
Індуковане мікрохвильової плазмою хімічне осадження з газової фази (MPCVD) з використанням Ib-типу синтетичних підкладок з алмаза при тисках газу приблизно 150 Торр (~ 1/4 атм) і температурах приблизно 1000-1400 ° С призводило до зміни забарвлення підкладки з алмаза від жовтої до зеленої. Зміна кольору досягнуто за допомогою розміщення Ib-алмаза на тримачі підкладки, що має вкрай незначну теплопровідність (наприклад, hBN-порошку або Мо-дроту для закріплення підкладки). Зміна кольору виявилося подібно зміни кольору, зазначеного для природного алмазу при НРНТ-відпалі. Див. I.М.Reinitz з співавт., Gems & Gemology (2000) 36, 128. З іншого боку, CVD-алмаз піддавався очевидним змін кольору і перетворювався на графіт при температурах більш ніж 1800 ° С при тому ж самому способі обробки . Тому представляло інтерес проводити отжиг CVD-алмаза при більш високій температурі - понад 2000 ° С - за допомогою методів високого тиску / високих температур (НРНТ).
Умови CVD-вирощування
Монокристали алмазів синтезували за допомогою індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази (CVD) при 8-20% СН 4 / H2, 0,2-3% N2 / CH4, 160-220 Торр при різних температурах. Алмази, показані на фіг.1, вирощені при наступних температурах: (а) 1300 ° С; (B) 1250 ° С; (С) 1400 ° С; (D) 1200 ° C; (Е) 1050 ° С. Алмаз (f) був підкладкою з алмаза Ib-типу (4 × 4 × 1,5 мм 3). Всі підкладки були Ib-типом синтетичних жовтих НРНТ-алмазів з гранями (100) на верхній поверхні і на бічних сторонах. Морфологія і забарвлення CVD-алмазів безпосередньо після вирощування в значній мірі залежить від температури осадження. Неправильні форми граней з коричневими, темнішими сходинками з оплавлених поверхонь пов'язані з більш високою температурою (приблизно 1300-1400 ° С) [фіг.1 (a, b, c)]. Гладкі безбарвні CVD-алмази, що збільшилися уздовж трьох напрямків, отримували при більш низьких температурах осадження [приблизно 1050-1200 ° С, фіг.1 (с, d)]. При температурах понад приблизно 1500 ° С починають формуватися чорні шари. Нижче приблизно 900 ° С відбувається осадження чорного микрокристаллического речовини.
Найбільшою мірою приблизно подвійне збільшення виявлено для верхньої поверхні зростання зразка щодо підкладки [фіг.1 (d)], тоді як геометрична форма зразка на фіг.1 (а) залишилася подібної. Це зроблене спостереження свідчить, що розмір безбарвного CVD-алмаза з добавками азоту може бути збільшений уздовж трьох напрямків (100) при температурах осадження приблизно 1200 ° С. Таке тривимірне збільшення структури при приблизно 1200 ° С є важливим для тривалого вирощування з метою отримання CVD-алмаза ювелірного якості з набагато більшими бічними розмірами, ніж у підкладок. При таких умовах CVD-алмаз ювелірної якості може бути вирощений окремо і послідовно уздовж 6 (100) граней підкладки. За допомогою зазначеного способу є досяжним отримання монокристала алмазу (~ 300 каратів) в формі куба з розміром один дюйм.
Приклади, засновані на відбитках индентора після НРНТ-відпалу
Інші аспекти винаходу можуть бути зрозумілі більш чітко з наступних прикладів.
Різні монокрісталі CVD-алмазів, з забарвленням від безбарвної до корічневої, були піддані HPHT-відпалу (aCVD); всі алмази були безбарвними після обробки при температурах приблизно 2000-2700 ° C і тиску приблизно 5-7 ГПа протягом приблизно 10 хвилин, використовуючи пристрій типу белт. Перед HPHT-відпалом ці зазначені CVD-алмази виявили високу міцність, а після відпалу твердість цих алмазів істотно збільшилася.
Відбитки индентора на різних алмазах показані на фіг.2. На фіг.2 (a) показаний відбиток індентора на природному IIa-алмазі, який має твердість приблизно 110 ГПа. На фіг.2 (b) показаний відбиток індентора на отожженном IIa-алмазі з твердістю приблизно 140 ГПа. На фіг.2 (c) показаний відбиток індентора на невідпаленого CVD-алмазі з твердістю приблизно 60 ГПа. На фіг.2 (d) показаний відбиток індентора на отожженном безбарвному надміцному aCVD-алмазі, вирощеному в умовах низького вмісту азоту, який має твердість приблизно 160 ГПа. На фіг.2 (e) показаний відбиток індентора на надміцному aCVD-алмазі, вирощеному в умовах високого вмісту азоту, який має твердість приблизно 160 ГПа. На фіг.2 (f) показаний відбиток індентора на безбарвному, надміцному aCVD-алмазі, вирощеному в умовах високого вмісту азоту, з твердістю від приблизно 100 до приблизно 160 ГПа. Колоподібні відбитки индентора, що спостерігаються після відпалу в безбарвних алмазах, вирощених при низькому співвідношенні азоту / метану (приблизно 0,4% N2 / CH4) і приблизно 1200 ° C (фіг.2 (d)), подібні відбиткам индентора в відпалених природних алмазах типу IIa (фіг.2 (b)). Відпалені темно-коричневі алмази, вирощені з більш високим вмістом азоту (приблизно 4% N2 / CH4) і високих температурах (> приблизно 1300 ° C) (фіг.2 (e)), мають квадратними відбитками, що характеризують розтріскування; після відпалу темніший CVD-кристал практично не може бути підданий індентування, тобто кристал стає надміцним. Помітний відбиток індентора спостерігали після відпалу безбарвного алмазу, вирощеного з високим вмістом азоту (фіг.2 (f)). Обчислення його міцності дає нижню межу приблизно 30 MПa м 1/2. Як використовується в даному описі і якщо не визначено інакше, то "надміцні" алмази означають алмази з міцністю більше ніж приблизно 30 MПa м1 / 2.
аналіз
На Фіг.3 показані спектр фотолюмінесценції (ФЛ) і раманівське спектр, які були виміряні з частотою збудження 488 нм. CVD-алмази показали наявність піку при 575 нм, пов'язаного з очевидним присутністю центрів (NV) у вигляді атома азоту і вакансії в сусідньому вузлі решітки; інтенсивність цієї смуги була вище для коричневих CVD-алмазів в порівнянні з безбарвними. Безпосередньо після вирощування коричневий CVD-алмаз, який був отожжен до безбарвного, володів сильним центром агрегації азоту (H3) (див. SJCharles et al., (2004) Physica Status Solidi (a): 1-13) при 503 нм і характеризувався зменшенням смуги, пов'язаної з наявністю центру NV. Звертається увага, що пік H3 найсильніший в неіндентіруемом (надміцному) алмазі. Відпалений безпосередньо після вирощування безбарвний CVD-алмаз має центрами і H3 і NV, але інтенсивності цих смуг зменшені на два порядки після відпалу, і у алмазу з'явилася смуга комбінаційного розсіювання другого порядку. Центри NV в відпалених CVD (aCVD) алмазах дозволяють припускати, що збагачений вакансіями CVD-алмаз трансформується в більш щільні структури після НРНТ-відпалу.
На фіг.4 показано С-Н розширення інфрачервоного поглинання в діапазоні 2800-3200 см-1. Широку смугу при 2930 см-1, пов'язану з присутністю гидрогенизированного аморфного вуглецю (а-С: Н), спостерігали в коричневому CVD-алмазі. Інтенсивність смуги корелює з коричневим кольором алмазу і його високою міцністю. Як показано на фіг.4, пік а-С: Н після відпалу трансформується в різні добре розв'язні смуги валентних коливань зв'язків С-Н при 2830 см-1 (sp3-дефекти в (111)), 2875 (sp3-CH3-дефекти) і 2900 см-1 (sp3-дефекти в (100)), так само як і при 2972, 3032 і 3107 см-1 (sp2-дефекти) (див. KM McNamaara et al. J. Appl. Phys. (1994) 76, 2466-2472). Ці зазначені поверхні (111) всередині aCVD-алмаза мають на увазі щодо відкриту структуру а-С: Н в безпосередньо вирощеному (100) CVD-алмазі, трансформується при відпалі в локально більш щільну структуру. Наприклад, відбувається збільшення внутрішніх дефектів в площині (111) і атомів вуглецю з sp2-конфігурацією на кордоні. Така зміна може внести вклад в відбиток індентора у формі квадрата для (111) або (110) на фіг.2. Безбарвний CVD-алмаз має більш низькі інтенсивності смуг, пов'язаних з а-С: Н, виявляючи при цьому широку і інтенсивну смугу при 2800 см-1. Ця відзначена особливість могла бути пов'язана з випадковим забрудненням атомами бору (див. Z.Teukam et al., Natural Materials (2003) 2: 482-486), мати відношення до С-Н коливань (див. KM McNamaara et al. J. Appl. Phys. (1994) 76, 2466-2472) або до невідомого центру (все ще так і залишається в стадії дослідження). Іонний мікрозондовий аналіз алмазу показав, що максимальна концентрація N в CVD-алмазі приблизно в 75 разів менше, ніж концентрація N в підкладці з алмаза Ib-типу.
Автори вважають важливим звернути увагу, що оптичні методи показали відсутність кордонів зерен в aCVD-алмазах. Досліджені aCVD кристали не мають очевидних абсорбційних піків при 1000-1500 см-1, пов'язаних з присутністю атомів азоту, навіть якщо невелика кількість азоту спеціально додають в газ для хімічного синтезу; таким чином, ці алмази можна віднести до IIa-типу. Аби не допустити на обов'язковість для них відповідністю з теорією, автори вважають, що механізм підвищення твердості / міцності і зміни кольору в aCVD-алмазах відрізняється від передбачуваного механізму в отожженном природному або синтетичному HPHT-алмазі, в яких домінує азот.
Перевірка з використанням схрещених поляризаторів показала, що цей CVD-алмаз має відносно високу внутрішню напругу в порівнянні з іншими алмазами. Після HPHT-обробки напруга може зменшуватися, але в алмазах Ia-, Ib-, IIa-типу таку напругу після відпалу може збільшитися. Аби не допустити на обов'язковість для них відповідністю з теорією, автори вважають, що це розглянуте явище має на увазі, що підвищення твердості в отожженном IIa може статися через дислокації, індукованої напруженнями, хоча подальше дослідження цього питання представляється необхідним (див. K.Kanda (2003) Diamond Related Matter, 12, 1760-1765).
Додаткова інформація отримана з вимірів рентгенівської кривої гойдання, включаючи складання картограм кривих гойдання. Повна ширина на висоті полумаксімума (FWHM) для безбарвного алмазу становить ~ 20 арксек (дугових секунд), для коричневого CVD ~ 80 арксек і aCVD ~ 150-300 арксек. Аби не допустити на обов'язковість для них відповідністю з теорією, автори вважають, що розширення профіль FWHM в aCVD-кристалі, ймовірно, пов'язаний з присутністю aC: H в CVD, схильних до трансформації в більш щільні області алмазу, для яких характерна значна кількість музичних областей розсіювання.
Встановлений в даному дослідженні механізм надзвичайно високою тріщиностійкості може бути пов'язаний з невеликою кількістю аморфного вуглецю або дислокаціями, які присутні в цих монокристалах CVD-алмазів. Більш щільні sp2- або sp3-гібридизувати нанокристали, що містять чергуються домішкові атоми азоту і водню на кордоні нанокристалічного зерна, можуть виникнути під час HPHT-відпалу.
Надміцні алмази відповідно до винаходу і алмази, отримані за допомогою згаданих вище способів, будуть досить великими, міцними, вільними від дефектів і прозорими для того, щоб бути використаними в якості, наприклад, вікон в лазері великої потужності або синхротронних застосуваннях, як ковадла в установках високого тиску, як ріжучі інструменти, як волоки для дроту, як компоненти для електроніки (поглиначі тепла, підкладки для електронних пристроїв) або як дорогоцінні камені. Інші приклади використання або застосування згаданих вище надміцних алмазів і діамантів, отриманих за допомогою згаданих вище способів, включають в себе наступне:
a) зносостійке речовина, включаючи, але не обмежуючись перерахованим, водні / газорідинні струменеві сопла, бритви, леза скальпеля, мікротон, индентор твердості, графічні засоби, штихеля, інструменти, використовувані при відновленні літографських деталей, реактивні обтічники, опори, включаючи ті, які використовують в верстатах з ультрависокої частотою обертання шпинделя, алмазно-біомолекулярних пристроях, мікротомів і індентора твердості;
b) оптичні вузли - включаючи, але не обмежуючись перерахованим, оптичні вікна, рефлектори, Рефрактори, лінзи, решітки, еталони, детектори альфа-частинок і призми;
c) електроніка, включаючи, але не обмежуючись перерахованим, мікроканальних охолоджуючі пристрої та високочисті SC-CVD-алмази для напівпровідникових компонентів, допированного домішками SC-CVD-алмази для напівпровідникових компонентів;
d) ковадла в установках високого тиску, включаючи, але не обмежуючись перерахованим, торообразние ковадла "Khvostantsev" або "Paris-Edinburgh", які можуть використовуватися з численними оптичними, електричними, магнітними та акустичними датчиками; ковадла Бриджмена (Bridgman), які є відносно великими, що мають варійовані висоти і включають в себе основні кути [15]; мультінаковальні, осередки Дрікамера (Drickamer), пристрій типу белт, пристрій типу поршень-циліндр; для здійснення попереднього стиснення зразків при проведенні лазерних або магнітних досліджень ударних хвиль; безбарвного захисного покриття для водню і інших застосувань, пристрої для попереднього стиснення зразків для досліджень лазерних або магнітних ударів;
e) контейнери, включаючи, але не обмежуючись перерахованим, 6- гранні {100} з металопокриттям алмази, які можуть бути пов'язані один з одним з утворенням контейнера, CVD-діамантове покриття може додатково використовуватися для утворення вакуумонепроніцаемого контейнера;
f) лазерні джерела, включаючи, але не обмежуючись перерахованим, відпалений SC-CVD-алмаз для формування стабільного H3-центру (агрегатів азоту, NV-центру, Si-центру або інших допанта);
g) надпровідник і проводить алмаз, включаючи, але не обмежуючись перерахованим, HPHT-отжиг для SC-CVD-алмаза, вирощеного з домішками, такими як H, Li, Na, N, Mg, або елементом з іншим низьким атомним вагою з розміром, наближається до розміру вуглецю;
h) підкладка для вирощування іншого CVD-алмаза, використовуючи CVD-пластини в якості підкладки для CVD-вирощування, має перевагу перед природними підкладками або HPT-підкладками через більшого розміру і міцності (що дозволяє уникнути розтріскування під час росту).
Розкриті в даному описі надміцні алмази особливо корисні для застосувань, включаючи, але не обмежуючись перерахованим, як водні / газорідинні струменеві сопла, бритви, леза скальпеля, мікротон, индентор твердості, графічні засоби, штихеля, інструменти, використовувані при відновленні літографських деталей, реактивні обтічники , опори, включаючи ті, які використовують в верстатах з особливо високою частотою обертання шпинделя, алмазно-біомолекулярних пристроях, мікротомів, індентора і ковадлах в установках високого тиску я.
В одному варіанті здійснення даний винахід направлено на ковадла в установках високого тиску, при цьому ковадла містять надміцний монокристал CVD-алмаза. Ковадла, що містять надміцний монокристал CVD-алмаза, можуть використовуватися при більш високому тиску, ніж ковадла, зроблені з інших речовин, таких як карбід вольфраму. Приклади конструювання наковален, які можуть містити монокристали CVD-алмазів, включають в себе ковадла Бриджмена, включаючи, але не обмежуючись перерахованим, ковадла Бриджмена, які є відносно великими, що мають варійовані висоти і включають в себе основні кути, і торообразние ковадла "Paris-Edinburgh ", включаючи, але не обмежуючись перерахованим, ковадла, розглянуті в Khvostantsev, LG, Vereshchagin, LF, and Novikov, AP, Device of toroid type for high pressure generation, High Temperatures - High Pressures, 1977, vol.9, pp 637- 638.
В одному варіанті здійснення даний винахід направлено на надміцний монокристал CVD-алмаза, на який лазером нанесено ідентифікаційні мітки (наприклад, назва, дата, номер), і спосіб отримання такого алмаза. Ідентифікаційні мітки можуть бути нанесені лазером на алмазну підкладку перед ініціацією CVD-способу отримання монокристала алмазу. Мітки переносять на монокристал алмазу в результаті цього способу.
Оскільки даний винахід може бути здійснено в кількох формах, не відходячи від суті або його істотних ознак, слід також розуміти, що описані вище варіанти не обмежені ніякими подробицями наведеного вище опису, якщо не обумовлено, і їх слід тлумачити широко в межах його сутності і обсягу, які визначені в поданій формулі винаходу, і тому мається на увазі, що всі зміни та модифікації, які входять в межі обсягу формули винаходу або еквівалентні такому обсягу, включені в прикладену формулу винаходу.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Монокристал алмазу, вирощений за допомогою індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази, який має міцність, щонайменше, приблизно 30 МПа м 1/2.
2. Монокристал алмазу по п.1, міцність якого дорівнює, щонайменше, приблизно 35 МПа м1 / 2.
3. Монокристал алмазу по п.2, міцність якого дорівнює, щонайменше, приблизно 40 МПа м1 / 2.
4. Монокристал алмазу по п.1, твердість якого змінюється від приблизно 100 до приблизно 160 ГПа.
5. Монокристал алмазу по п.1, що відрізняється тим, що монокристал алмазу використаний в якості сопла.
6. Монокристал алмазу по п.5, що відрізняється тим, що сопло використовується в пристрої для водоструминної різання під високим тиском.
7. Монокристал алмазу по п.1, що відрізняється тим, що монокристал алмазу використаний в ріжучому лезі для хірургічного інструменту, що включає ріжучу кромку, в якому ріжучакромка виконана з монокристала алмазу.
8. Монокристал алмазу по п.1, що відрізняється тим, що монокристал алмазу використаний в бритві, що включає ріжучу кромку, в якій ріжучакромка виконана з монокристала алмазу.
9. Монокристал алмазу по п.1, що відрізняється тим, що монокристал алмазу використаний в волоку для дроту.
10. Монокристал алмазу по п.1, що відрізняється тим, що монокристал алмазу використаний в якості опори.
11. Монокристал алмазу по п.1, що відрізняється тим, що монокристал алмазу використаний в якості алмазної ковадла.
12. Монокристал алмазу по п.1, що відрізняється тим, що монокристал алмазу використаний в якості дорогоцінного каменю.
13. Монокристал алмазу по п.1, що відрізняється тим, що монокристал алмазу використаний в оптичному вузлі.
14. Спосіб вирощування надміцного монокристалла алмаза, що включає в себе
i) розміщення кристалічного зародка алмазу в теплопоглинальних тримачі, зробленому з речовини, що володіє високою точкою плавлення і високою теплопровідністю, щоб мінімізувати температурні градієнти в напрямку від краю до краю поверхні зростання алмазу;
ii) управління температурою поверхні зростання алмазу так, щоб температура зростаючих кристалів алмазу перебувала в діапазоні приблизно 1050-1200 ° С; и
iii) вирощування монокристалів алмазу за допомогою індукованого мікрохвильової плазмою хімічного осадження з газової фази на поверхні зростання алмазу в камері осадження, в якій атмосфера характеризується співвідношенням азоту до метану приблизно 4% N2 / CH4,
iv) проведення відпалу монокристалів алмазу таким чином, що відпалений монокристал алмазу має міцність, щонайменше, приблизно 30 МПа м1 / 2.
15. Спосіб за п.14, в якому стадія iv) включає отжиг монокристалла алмаза при тисках понад від приблизно 5 до приблизно 7 ГПа і температурах від приблизно 2000 ° С до близько 2700 ° С так, що твердість становить від приблизно 100 до приблизно 160 ГПа.
16. Спосіб за п.14, в якому монокристал алмазу до відпалу, по суті, безбарвний.
17. Спосіб отримання монокристала CVD-алмаза, що росте в трьох напрямках, на монокристаллической алмазної підкладці, що включає в себе
i) вирощування монокристалів на першій (100) межі монокристаллической алмазної підкладки;
ii) зміна положення монокристаллической алмазної підкладки з виросли на ній монокристалом алмазу і
iii) вирощування монокристалів на другий (100) межі монокристаллической алмазної підкладки,
при цьому температура осадження становить від приблизно 1150 ° С до приблизно 1250 ° С.
18. Спосіб за п.17, в якому отриманий тривимірний алмаз має розміром більшим, ніж приблизно один кубічний дюйм.
19. Спосіб за п.17, в якому отриманий монокристал алмазу використовують в якості сопла.
20. Спосіб за п.17, в якому отриманий монокристал алмазу використовують в якості ріжучої кромки різального леза для хірургічного інструменту.
21. Спосіб за п.17, в якому отриманий монокристал алмазу використовують в якості ріжучої кромки бритви.
22. Спосіб за п.17, в якому отриманий монокристал алмазу використовують в волоку для дроту.
23. Спосіб за п.17, в якому отриманий монокристал алмазу використовують в якості опори.
24. Спосіб за п.17, в якому отриманий монокристал алмазу використовують в якості алмазної ковадла.
25. Спосіб за п.17, в якому отриманий монокристал алмазу використовують в якості дорогоцінного каменю.
26. Спосіб за п.17, в якому отриманий монокристал алмазу використовують в оптичному вузлі.