Способ синтеза алмаза

 

Изобретение относится к получению синтетических алмазов, имеющих большое народнохозяйственное значение. Цель изобретения создание низкотемпературного и низкобарического способа синтеза кристаллов алмаза особой чистоты (безметальных и безазотных) и совершенной структуры для микроэлектроники и лазерной техники, а также значительное упрощение способа синтеза алмаза. Сущность способа заключается в использовании окислительно-восстановительных реакций взаимной нейтрализации электроотрицательных C^-n и электроположительных C⁺ⁿ атомов углерода в смесях его простых воднорастворимых органических соединений алифатического ряда, взаимодействие которых в водных растворах при низких РТ-параметрах приводит к алмазной поликонденсации.

Изобретение относится к способам получения алмазов, имеющих большое народнохозяйственное значение. Алмаз по своим природным свойствам является практически идеальным высокотемпературным полупроводником, мощным твердотельным лазером, высокочувствительным счетчиком в сложных дозиметрических устройствах и т.д.

Во всех странах мира, производящих синтетические алмазы, промышленное производство алмазных кристаллов (до 7 мм, 5 каратов) основано на использовании спонтанной кристаллизации алмазов из расплавов металлов, содержащих растворенный углерод, при высоких статических давлениях 40-70 кБар и очень высоких температурах 1500-2000^оС.

Все известные варианты промышленной технологии синтеза кристаллов алмаза из расплавов металлов являются трудоемкими, дорогостоящими, малопроизводительными и не позволяют получать крупные (5-15 и более каратов) монокристаллы алмаза, не говоря уже о синтезе высококачественных монокристаллов алмаза с заданными свойствами.

Поскольку выращивание алмазов из расплавов металлов приводит к их существенной "металлизации" и, как следствие, потере ценных полупроводниковых свойств, данная технология в принципе не пригодна для получения кристаллов алмаза, удовлетворяющих высоким требованиям, предъявляемым к чистоте и полупроводниковым свойствам монокристаллов, предназначенных для использования в таких приоритетных областях промышленности, как атомная энергетика, лазерная техника, полупроводниковая микроэлектроника и т.д.

Процессы природного алмазообразования приводят к формированию крупных монокристаллов алмаза: от 44 до 3106 каратов (от 8,8 до 621,2 г). Однако природные алмазы, как правило, содержать в своей структуре значительную примесь азота, что также обусловливает существенное снижение их полупроводниковых свойств.

В связи с этим актуальна проблема создания новых нетрадиционных технологий, обеспечивающих получение кристаллов алмаза особой чистоты безметалльных и безазотных.

Экспериментальным путем установлено, что по аналогии с природным процессом алмазообразования при промышленном синтезе алмаза в качестве основной химически активной конденсированной среды, в которой протекает алмазообразующие реакции, может быть использована вода.

Термобарохимические эксперименты по синтезу алмаза в газово-жидких средах в диапазоне докритических температур показали, что из числа исследованных разнообразных углеродных систем наиболее перспективной является система С_1-2⁺ⁿ-С_1-2^-n-Н-О, в результате термобарохимической трансформации которой возникает устойчивая гетерогенная система С^о-Н₂О, т.е. углерод-водная система.

Целью изобретения является создание способа синтеза алмаза, позволяющего при низких РТ-параметрах получать кристаллы алмаза особой чистоты (безметалльные и безазотные) и совершенной структуры, пригодные для использования в микроэлектронике, лазерной технике и других приоритетных областях электронной промышленности.

Цель достигается путем использования стехиометрических смесей водорастворимых органических соединений алифатического ряда, строго сбалансированных на суммарно нулевое окислительное число атомов углерода в реакционном кристаллизаторе, что позволяет проводить процесс синтеза в водной фазе при температуре 100-350^оС и давлении инертных газов (например, ксенона) 100-400 атм.

Нижняя и верхняя границы температурного диапазона предопределены значениями температурных констант воды. Нижняя граница температурного диапазона 100^оС соответствует температуре кипения воды, а верхняя граница 350^оС обусловлена тем, что температура 374^оС является критической температурой воды, вследствие чего при рабочих температурах порядка 350^оС вода находится в жидкой фазе (докритическое состояние).Величина рабочего газового давления, требуемого для осуществления процесса синтеза алмаза, определяется исходя из физико-химической специфики каждой конкретной углеродной системы, в первую очередь, из значений критических параметров реагирующих компонентов и технически обеспечивается с помощью управляемого компрессирования инертных газов.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании окислительно-восстановительных реакций взаимной нейтрализации электроотрицательных (С^-n) и электроположительных (С⁺ⁿ) атомов углерода в смесях его простых (С_1-3) водорастворимых органических соединений алифатического ряда, взаимодействие которых в водных растворах при низких РТ-параметрах приводит к алмазной поликонденсации, поскольку алмаз является трехмерным (каркасным) полимером углерода парафинового ряда. При этом в качестве мономеров служат возбужденные атомы углерода (радикалы С^о), которые возникают в результате окислительно-восстановительных реакций, протекающих в этих конденсированных (водных) углерод-углеродных системах.

Ведущим фактором существенного ускорения процесса взаимной нейтрализации разнозаряженных атомов углерода в водных растворах является определенная композиция углеродных соединений (С₁, С₂, С₃ и т.д.), строго сбалансированная на суммарно нулевое окислительное число атомов углерода этой композиции.

Поскольку высокая плотность конденсированной водной среды и структурные особенности молекул воды служат факторами, способствующими высокой эффективности процесса алмазной поликонденсации в водных растворах, особенно в растворах, содержащих специальные катализаторы, именно гидротермальная технология синтеза алмаза является наиболее перспективной для получения кристаллов алмаза особой чистоты, а также их легированных разновидностей с заданными свойствами.

Согласно экспериментам принцип взаимной нейтрализации разнозаряженных атомов химических элементов, обладающих имманентным свойством образовать гидридные и оксидные (или галогенидные) газообразные или легко летучие жидкие соединения, смеси которых, взятые в стехиометрическом соотношении, обеспечивающем суммарно нулевое окислительное число атомов элемента, может быть положен в основу создания прогрессивных технологий синтеза при умеренных и низких РТ-параметрах не только кристаллического углерода (алмаза) особой чистоты, но и особо чистых кристаллов других элементов IY, III и Y групп Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, а также ковалентных карбидов этих элементов.

Формула изобретения

СПОСОБ СИНТЕЗА АЛМАЗА путем спонтанной кристаллизации из жидкой фазы, содержащей углерод, отличающийся тем, что используют смеси водных растворов простых воднорастворимых органических соединений алифатического ряда, содержащих противоположно заряженные атомы углерода, соединения берут в количественном соотношении, обеспечивающем суммарно нулевое окислительное число атомов углерода, и процесс ведут в водной фазе при температуре 100 - 350^oС и под давлением инертного газа-компрессанта 100 400 атм.