Способ синтеза монокристаллов алмаза на затравке

 

Изобретение относится к получению монокристаллов алмаза на затравке и может быть использовано для выращивания алмазов ювелирного качества. Цель уменьшение количества макропримесей на границе кристаллов алмаза затравок и выращиваемого алмаза. Изобретение представляет собой способ получения монокристаллов алмаза на затравке, включающий послойное размещение источника углерода, металла - катализатора и затравочных кристаллов алмаза, при этом в зоне кристаллов затравок дополнительно размещают кристаллы поглотители примесей, которые при воздействии высокого давления нагревают на 5 15°С ниже температуры нагрева кристаллов затравок. Указанную разность температур обеспечивают путем расположения кристаллов затравок затравочной гранью на 0,5 5 мм ближе к источнику углерода относительно затравочных граней кристаллов поглотителей, либо путем размещения кристалла поглотителя на теплостоке, снижающем его температуру на указанную разность путем активного отвода тепла. Причем кристаллы затравки и кристаллы поглотители снабжают индивидуальными ростовыми ячейками, сообщающимися между собой. Отсутствие осаждаемых макропримесей на границе выращиваемого алмаза и затравки повышает качество кристаллов и увеличивает их выход. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к получению монокристаллов алмаза и может быть использовано в абразивной и ювелирной промышленности. Цель изобретения уменьшение количества микропримесей на границе кристаллов алмаза затравок и выращиваемого алмаза. На фиг.1, 2 и 3 представлены различные варианты расположения затравочных алмазов и кристаллов-поглотителей при снаряжении реакционной ячейки высокого давления, где приняты следующие обозначения: 1 источник углерода; 2 сплав металлов-растворителей; 3 затравочные кристаллы алмаза; 4 кристаллы алмаза поглотители; 5 теплосток; 6 электротеплоизоляционный материал. П р и м е р 1 (фиг.1). В качестве источника углерода берут смесь микропорошка алмаза марки АСМ 40/28 и графита С3 зернистостью меньше 40 мкм массой 160 мг при массовом соотношении составляющих 3:1. В качестве металла-растворителя берут железо-никель-углерод в соотношении 46:42:12 (мол.) слоем толщиной 3 мм. Кристалл-поглотитель, ориентированный кубической гранью размером 0,2х0,3 мм к растворителю, помещают в центре подложки на NaCl на теплостоке из BN_г в виде цилиндра диаметром 2 мм и высотой 4 мм, четыре основных затравочных кристалла располагают на периферии реакционной ячейки и ориентируют кубическими гранями размером 0,2х0,2 мм к растворителю. Система роста, называемая АВД, представляет тип наковальни с лункой диаметром 35 мм. Создают давление 5,5 ГПа по нагрузочной характеристике, определенной при комнатной температуре по фиксированным точкам фазовых превращений в висмуте 2,55 ГПа, таллии 3,7 ГПа, барии 5,5 ГПа (при нагреве давление увеличивается до 5,9-6,0 ГПа). Температуру измеряют с помощью термопар ПР 30/6 без учета влияния давления на электродвижущую силу термопары. На источнике углерода 1483^оС, на кристалле-поглотителе 1442^оС и на основных затравочных кристаллах 1453^оС. Время выращивания алмаза составляет 24 ч. На основных кристаллах затравках выращены алмазы ювелирного качества лимонно-желтого цвета кубооктаэдрической формы с преимущественным развитием октаэдрических граней массой 18,1; 16,6; 16,8 и 17,8 мг. При наблюдении монокристаллов в микроскоп МБс-9 в них были обнаружены включения размером 0,05 мм в количестве 4, 6, 7 и 4 шт. соответственно. Эти включения были расположены внутри кристалла на расстоянии не более 0,1 мм от затравочной грани. Кристаллы, содержащие примеси, были сошлифованы, в результате чего были получены бездефектные кристаллы массой 16,2; 14,9; 15,0 и 16,1 мг. Кристалл-поглотитель массой 32 мг содержал 60 включений размером 0,05-0,3 мм по всему объему. По способу согласно прототипу были выражены пять кристаллов с массой 20 ±0,5 мг каждый. Во всех кристаллах наблюдались включения размером 0,03 до 0,2 мм в количестве 10-17 шт. в каждом кристалле. После сошлифовки частей кристаллов, содержащих наибольшее количество примесей (т. е. у границы затравочный кристалл выращиваемый алмаз), были получены кристаллы массой 16 ±0,5 мг, содержащие по 1-3 включениям. П р и м е р 2 (фиг.2). Используемые в этом примере АВД, источник углерода, металл-растворитель, давление те же, что и в примере 1. Затравочная система состоит из одного основного затравочного кристалла, ориентировочного кубической гранью размером 0,3х0,3 мм к растворителю и расположенного в центре подложки из NaCl и четырех кристаллов-поглотителей, ориентированных кубическими гранями размером 0,2х0,2 мм к растворителю и расположенных на периферии той же подложки из NaCl. Грань затравочного кристалла находилась на 1,3 мм ближе к источнику углерода, чем грань кристаллов-поглотителей. Температура на источнике углерода 1492^оС, кристаллах-поглотителях 1454^оС и на основном затравочном кристалле 1462^оС. За 25 ч на затравке был выращен кристалл лимонно-желтого цвета кубооктаэдрической формы с преимущественным развитием октаэдрических граней массой 20 мг. Под микроскопом было обнаружено одно включение размером 0,1 мм, после сошлифовки которого был получен бездефектный кристалл 19,6 мг. Кристаллы-поглотители имели массу 25, 24, 26, 24 мг и содержали примеси металла-растворителя размером 0,05-0,3 мм в количестве 12, 15, 18, 16 шт. в каждом соответственно по всему объему с преимущественным расположением на границе с затравочной гранью на глубину до 0,8 мм. П р и м е р 3 (фиг.3). Используемые в этом примере АВД, источник углерода, металл-растворитель, давление те же, что и в примере 1. Затравочная система состоит из четырех основных кристаллов, ориентированных кубическими гранями размером 0,2х0,2 мм к растворителю и расположенных на периферии подложки из NaCl, а также кристалла-поглотителя, ориентированного кубической гранью размером 0,3х0,3 мм к растворителю и расположенного в центре той же подложки. Затравочная грань кристалла-поглотителя находится на 1,2 мм дальше от источника углерода, чем грани основных кристаллов. Каждый из основных кристаллов имеет индивидуальную ростовую систему в виде цилиндра из металла-растворителя диаметром 2 мм, высотой 3 мм, а ростовая система кристалла-поглотителя цилиндр диаметром 3 мм и высотой 1,2 мм, благодаря чему эти системы соединяются между собой. Температура на источнике углерода 1490^оС, кристалла-поглотителя 1450^оС и на основных затравочных кристаллах 1460^оС. За 38 ч на основных затравках были выращены чистые ювелирного качества кристаллы алмаза лимонно-желтого цвета кубооктаэдрической формы в начальный период и цилиндрической в конечный период роста массой 22,1; 23,4; 21,8 и 24,6 мг. В каждом кристалле было обнаружено по 1-2 включения размером до 0,15 мм. Кристалл-поглотитель массой 25 мг содержал до 50 шт. включений размером 0,05-0,2 мм по всему объему. Его рост был ограничен цилиндрическим столбиком из NaCl, расположенным над ростовой системой кристалла-поглотителя. Химический состав включений после выращивания монокристаллов зависит от состава металла-растворителя. Например при синтезе монокристаллов в металле-растворителе на основе железа, никеля, кобальта и марганца или их сплавов при введении в них добавок титана и циркония образуются труднорастворимые примеси в алмазах в виде оксикарбидонитридов титана и циркония. Если труднорастворимых примесей в металле-растворителе мало, то химический состав включений в алмазах практически совпадает с составом металла-растворителя. Если их много, то образуются два вида включений неограниченные включения, совпадающие по составу с металлом-растворителем, и ограненные включения, содержащие труднорастворимые примеси. Таким образом, из примеров следует, что способ синтеза монокристаллов алмаза позволяет получить алмазы ювелирного качества с минимальным количеством примесей и увеличить выход годных монокристаллов. Этот способ позволяет получать кристаллы алмаза ювелирного качества не только на АВД типа "Белт" с большой реакционной ячейкой и равномерным распределением температуры в ростовой ячейке, но и в АВД с более неравномерным распределением температуры, например АВД типа наковальни с лункой. Способ позволяет увеличить также выход высококачественных кристаллов алмаза ювелирного качества, а также полупроводниковых кристаллов алмаза с заданным уровнем легирования, нашедших в последнее время широкое применение в качестве активных элементов электронных приборов.

Формула изобретения

1. СПОСОБ СИНТЕЗА МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА НА ЗАТРАВКЕ, включающий размещение послойно источника углерода, металлического катализатора-растворителя и кристаллов алмаза-затравок, воздействие на данную послойную реакционную систему высокого давления и температуру с положительным градиентом ее в сторону источника углерода, отличающийся тем, что, с целью уменьшения количества макропримесей на границе кристаллов алмаза-затравок и выращиваемого алмаза, в зоне кристаллов алмаза-затравок дополнительно размещают кристаллы алмаза-поглотители примесей при температуре на 5 - 15^oС ниже температуры кристаллов-затравок. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность температур обеспечивают путем расположения кристаллов алмаза-затравок затравочной гранью ближе к источнику углерода на 0,5 5 мм относительно затравочных граней кристаллов-поглотителей либо путем размещения кристалла алмаза поглотителя на теплостоке, снижающем температуру кристалла-поглотителя относительно уровня температуры подложки кристаллов алмаза-затравок на указанную разность путем активного отвода тепла. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кристаллы-затравки и кристаллы-поглотители снабжают индивидуальными ростовыми ячейками, сообщающимися между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3