Сверхтвердые алмазы и способ их получения

Изобретение относится к технологии получения сверхтвердого монокристаллического алмаза. Монокристаллический алмаз, выращенный химическим осаждением из газовой фазы, индуцированным микроволновой плазмой, подвергают отжигу при давлениях свыше 4,0 ГПа и нагреванию до температуры свыше 1500°С. Получают алмазы, которые обладают твердостью более 120 ГПа и трещиностойкостью 6-10 Мпа м^1/2. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение заявляет приоритет предварительной заявки №60/486435, поданной 14 июля 2003 г., которая включена в данное описание в виде ссылки.

Подтверждение государственного права

Настоящее изобретение осуществлено при поддержке правительства США по гранту с номером EAR-0135626, предоставленному Национальным Научным Фондом. Правительство США имеет определенные права на данное изобретение.

Предпосылки изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к алмазам и более конкретно к сверхтвердому алмазу, получаемому с использованием химического осаждения из газовой фазы, индуцированного микроволновой плазмой (MPCVD) в камере осаждения.

Описание предшествующего уровня техники

Крупномасштабное производство синтетического алмаза долгое время было целью как научных исследований, так и промышленного производства. Алмаз, кроме своих свойств драгоценного камня, является самым твердым известным веществом, обладает самой высокой известной теплопроводностью и прозрачен в широком спектре электромагнитного излучения. Поэтому алмаз высоко ценится вследствие широкого круга применений в ряде отраслей промышленности наряду с его ценностью в качестве драгоценного камня.

В течение, по меньшей мере, последних двадцати лет был доступен способ получения небольших количеств алмаза химическим осаждением из газовой фазы (CVD). Как сообщалось В.V.Spitsyn в «Vapor Growth of Diamond on Diamond and Other Surfaces», Journal of Crystal Growth, 1981, vol.52, pp.219-226, способ заключается в CVD алмаза на подложке с использованием комбинации метана или другого простого углеводородного газа и газа водорода при пониженных давлениях и температурах 800-1200°С. Включение газа водорода предотвращает образование графита, в то время как происходит образование центров кристаллизации и рост алмаза. В случае использования указанного способа сообщалось о скоростях роста до 1 мкм/час.

В последующей работе, например работе Kamo et al., о которой сообщается в «Diamond Synthesis from Gas Phase in Microwave Plasma», Journal of Crystal Growth, 1983, vol.62, pp.642-644, показано применение химического осаждения из газовой фазы, индуцированного микроволновой плазмой (MPCVD), для получения алмаза при давлениях 1-8 кПа в пределах температур 800-1000°С с микроволновой мощностью 300-700 Вт при частоте 2,45 ГГц. В указанном способе Kamo et al. использовали концентрацию газа метана 1-3%. В случае использования способа MPCVD сообщалось о максимальных скоростях роста 3 мкм/час.

Природные алмазы обладают твердостью в диапазоне 80-120 ГПа. Большинство выращенных или искусственных алмазов, независимо от способа производства, обладают твердостью менее 110 ГПа. Не было сообщений о том, что другие природные алмазы, отличные от алмазов типа IIa, которые подвергали отжигу, обладали твердостью более 120 ГПа.

Сущность изобретения

Таким образом, настоящее изобретение относится к устройству и способу получения алмаза, который по существу устраняет одну или несколько проблем, обусловленных ограничениями и недостатками предшествующего уровня техники.

Целью настоящего изобретения является устройство и способ получения алмаза в системе для химического осаждения из газовой фазы, индуцированного микроволновой плазмой, который обладает повышенной твердостью.

Другая цель настоящего изобретения состоит в улучшении оптических свойств монокристаллического алмаза.

Дополнительные особенности и преимущества изобретения будут изложены в приведенном ниже описании и частично будут понятны из описания или могут быть изучены при практическом осуществлении изобретения. Указанные цели и другие преимущества данного изобретения будут реализованы и достигнуты с помощью системы, в частности указанной в описании и в формуле изобретения, а также прилагаемых чертежей.

Для достижения указанных и других преимуществ и в соответствии с целью настоящего изобретения, которое осуществлено и подробно описано, монокристаллический алмаз выращивают с помощью химического осаждения из газовой фазы, индуцированного микроволновой плазмой, проводят отжиг при давлениях свыше 4,0 ГПа и нагревают до температуры свыше 1500°С, который при этом обладает твердостью более 120 ГПа.

В другом варианте монокристаллический алмаз обладает твердостью 160-180 ГПа.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения способ получения твердого монокристаллического алмаза включает выращивание монокристаллического алмаза и отжиг монокристаллического алмаза при давлениях свыше 4,0 ГПа и температуре свыше 1500°С для достижения твердости свыше 120 ГПа.

Следует понимать, что как и предшествующее общее описание, так и последующее подробное описание являются иллюстративными и пояснительными и предназначены для дальнейшего разъяснения заявленного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сопровождающие чертежи, которые включены для обеспечения дальнейшего понимание изобретения и которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

Фиг.1 является схематическим изображением индентора для проверки твердости алмаза.

Фиг.2 является изображением углубления, сделанного на алмазе.

Фиг.3 является графиком, показывающим твердость и прочность отожженных CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов по сравнению с природными алмазами типа IIa, отожженными природными алмазами типа IIa, отожженными природными алмазами типа Ia и отожженными синтетическими НРНТ-алмазами типа Ib.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

Далее будет сделана ссылка на подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, результаты которого проиллюстрированы в прилагаемых чертежах.

CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз, относящийся к данной заявке, был выращен с использованием устройства, описанного в патентной заявке США № 10/288499, поданной 6 ноября 2002 г. под названием «Apparatus and Method for Diamond Production», которая включена в данное описание в виде ссылки. В общем случае затравку алмаза помещают в держателе, который перемещает затравку алмаза/растущий алмаз, по мере того как алмаз выращивают. Авторы данной заявки также являются авторами патентной заявки США № 10/288499.

CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз с толщиной более 1 миллиметра был осажден на гранях {100} синтетического алмаза типа Ib. Для увеличения скорости роста (50-150 мкм/час) и активации процесса сглаживания роста грани {100} монокристаллические алмазы выращивали в атмосфере N₂/CH₄=0,2-5,0% и СН₄/Н₂=12-20% при суммарном давлении 120-220 торр и 900-1500°С из микроволновой индуцированной плазмы в камере CVD. Спектры комбинационного рассеяния показали наличие небольшого количества гидрогенизированного аморфного углерода (а-С:Н)⁴ и азотсодержащего а-С:Н(N:а-С:Н)⁴, приводящего к коричневому алмазу при <950°С и >1400°С. Спектр фотолюминесценции (СФ) указывал на примеси, связанные с вакансией азота (N-V). Монокристаллические алмазы толщиной до 4,5 мм были получены при скоростях роста, которые по величине были на два порядка выше, чем в способах обычного поликристаллического CVD-роста.

CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы отжигали при давлении свыше 4,0 ГПа, таком как 5-7 ГПа, и нагревали до температуры свыше 1500°С, такой как 1800-2900°С, в течение 1-60 минут в химическом реакторе, используя устройство ленточного типа или стержневого типа. Химический реактор может быть ячейкой, такой как описано в патенте США №3745623 или 3913280, которые включены в данное описание в виде ссылки. Такая же обработка отжигом уменьшает или устраняет цвет CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов и осветляет цвет синтетических затравочных НРНТ-кристаллов типа Ib. Кроме того, твердость отожженного CVD-выращенного в индуцированной микроволновой плазме монокристаллического алмаза, отожженного CVD-алмаза (по меньшей мере, ˜140 ГПа) превышает твердость отожженного или неотожженного синтетического НРНТ-алмаза типа Ib (˜90 ГПа), отожженного природного алмаза типа Ia (˜100 ГПа), природного алмаза типа IIa (˜110 ГПа), и отожженного природного алмаза типа IIa (˜140 ГПа) и спеченного поликристаллического алмаза (120-140 ГПа).

ПРИМЕР 1

Монокристаллический CVD-алмаз выращивали в атмосфере с отношением N₂/CH₄, равным 5%, при температуре примерно 1500°С на желтом синтетическом НРНТ-алмазе типа Ib в микроволновой CVD-камере. Размер CVD-выращенного в индуцированной микроволновой плазме монокристаллического алмаза составлял один сантиметр квадратный и несколько превышал один миллиметр по толщине. Цвет CVD-выращенного в индуцированной микроволновой плазме монокристаллического алмаза был коричневым. Коричневый CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз на синтетическом затравочном НРНТ алмазе типа Ib затем помещали в качестве образца в химический реактор.

Химический реактор помещали в обычное НРНТ-устройство. Сначала давление увеличивали до давления 5,0 ГПа, и затем температуру поднимали до 2200°С. Образец выдерживали при этих условиях отжига в течение пяти минут, и затем температуру уменьшали в течение примерно одной минуты до комнатной температуры, прежде чем осуществляли снятие давления.

Образец удаляли из реакционной камеры и исследовали под оптическим микроскопом. Коричневый CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз стал прозрачный со светло-зеленым цветом и алмаз остался прочно связанным с желтым синтетическим НРНТ-алмазом типа Ib. Желтый цвет синтетического НРНТ-алмаза типа Ib стал светло-желтым или более прозрачно-желтым. Твердость составляла примерно 160 ГПа.

ПРИМЕР 2

Полностью соответствует выше рассмотренному примеру 1, за исключением того, что образец в условиях отжига выдерживали в течение 1 часа. Коричневый CVD-вырашенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз приобрел светло-зеленый цветовой тон, который стал более прозрачен, чем светло-зеленый цветовой тон, полученный в примере 1, и алмаз остался прочно связанным с синтетическим НРНТ-алмазом типа Ib. Желтый цвет синтетического НРНТ-алмаза типа Ib стал светло-желтым или более прозрачно-желтым. Твердость составляла примерно 180 ГПа.

ПРИМЕР 3

Монокристаллический CVD алмаз выращивали в атмосфере с отношением N₂/CH₄, равным 5%, при температуре примерно 1450°С на желтом синтетическом НРНТ-алмазе типа Ib в микроволновой CVD-камере. Размер CVD-выращенного в индуцированной микроволновой плазме монокристаллического алмаза составлял один сантиметр квадратный и несколько превышал один миллиметр по толщине. Цвет CVD-выращенного в индуцированной микроволновой плазме монокристаллического алмаза был светло-коричневым. Другими словами, желтый или светло-коричневый цвет не был таким темным, как у коричневого CVD-выращенного в индуцированной микроволновой плазме монокристаллического алмаза в примере 1. Желтый или светло-коричневый CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз на синтетическом затравочном НРНТ алмазе типа Ib затем помещали в качестве образца в химический реактор. Твердость составляла более 160 ГПа.

Химический реактор помещали в обычное НРНТ-устройство. Давление увеличивали до давления 5,0 ГПа, и затем температуру быстро поднимали до примерно 2200°С. Образец выдерживали при этих условиях отжига в течение пяти минут, и затем температуру уменьшали в течение примерно одной минуты до комнатной температуры, прежде чем осуществляли снятие давления.

Образец удаляли из реакционной камеры и исследовали под оптическим микроскопом. Светло-коричневый CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз стал бесцветным и алмаз остался прочно связанным с желтым синтетическим НРНТ-алмазом типа Ib. Желтый цвет синтетического НРНТ-алмаза типа Ib стал светло-желтым или более прозрачно-желтым.

ПРИМЕР 4

Полностью соответствует примеру 1, за исключением того, что бесцветный CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз в атмосфере с отношением N₂/CH₄, равным 5%, при температуре 1200°С был отожжен. После отжига CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристалл стал голубым. Указанный голубой CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз обладал очень высокой прочностью >20 МРа м^1/2. Твердость составляла примерно ˜140 ГПа.

ПРИМЕР 5

Полностью соответствует примеру 1, за исключением того, что бесцветный CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз в атмосфере с отношением N₂/CH₄, равным 5%, при температуре 1200°С был отожжен. CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз оставался бесцветным. Указанный бесцветный CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз обладал твердостью ˜160 ГПа и прочностью ˜10 МРа м^1/2.

Фиг.1 является схематическим изображением индентора для проверки твердости алмаза. Определение твердости по Виккерсу выполняли для отожженных CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов на инденторе 1, показанном на фиг.1. Индентор 1 на фиг.1 содержит вдавливающее вещество 2, помещенное на держателе 3. Вдавливающее вещество 2 может быть карбидом кремния, алмазом или некоторым другим твердым веществом. Вдавливающее вещество имеет грани пирамидальной формы, соответствующие индентору по Виккерсу, в котором стороны пирамидальной формы, соответствующие индентору по Виккерсу, образуют угол 136°.

Индентор прикладывает точечный груз к испытываемому алмазу 2 до тех пор пока не образуется углубление или трещина в испытываемом алмазе 2. Чтобы предотвращать упругую деформацию индентора, грузы варьируют от 1 до 3 кг на гранях {100} в направлении <100> испытываемых алмазов. Размеры углубления и трещин, связанных с углублением, измеряют с помощью оптической микроскопии. Фиг.2 является изображением углубления, сделанного на CVD-выращенном в индуцированной микроволновой плазме монокристаллическом алмазе.

Из-за погрешностей в определении твердости идентичные измерения также выполняли на других алмазах. Было установлено, что проведенные измерения на других алмазах соответствуют опубликованным данным для других алмазов. Определение твердости по Виккерсу были сделаны на гранях (100) различных типов алмазов в направлении (100).

Поверхности с нанесенными углублениями для отожженных CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов, как следует из данных оптической микроскопии, очевидно, отличаются от данных оптической микроскопии для других (более мягких) алмазов. Отожженный CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз показывает рисунки трещин в виде плоскостных профилей вдоль <110> или <111>, при этом отсутствуют крестообразные линии трещин вдоль <100> и деформационные метки типа водоподобных отпечатков, которые образовались на поверхности отожженного CVD-выращенного в индуцированной микроволновой плазме монокристаллического алмаза под действием пирамидального индентора Виккерса. В отличие от этого отожженный природный алмаз типа IIa характеризуется рисунками трещин вдоль <110> или <111> менее правильным плоскостным профилем и при этом обнаруживает крестообразные линии трещин вдоль <100>, характерные более мягким алмазам. Такие результаты показывают, что отожженный CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз является более твердым, чем индентор, и давление вследствие пластической деформации индентора вызывает проскальзывание его более мягких граней {111}.

Инденторы Виккерса обычно растрескиваются после ˜15 измерений неотожженных CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов и природных алмазов типа Ib. Кроме того, инденторы Виккерса обычно растрескиваются после ˜5 измерений отожженных природных алмазов типа IIa, отожженных природных алмазов типа Ib и отожженных синтетических НРНТ алмазов типа Ib. Однако на отожженных CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазах индентор Виккерса растрескался после только одного или двух измерений. Эти наблюдения служат дополнительным подтверждением того, что отожженные CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы являются более твердыми по сравнению с зафиксированными измеренными значениями. В действительности многие отожженные CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы просто разрушали более мягкий индентор. В таких случаях индентор вообще не оставлял никакого отпечатка на поверхности отожженных CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов.

Фиг.3 является диаграммой, характеризующей твердость и прочность отожженных CVD-выращенных в индуцированной микроволновой плазме монокристаллических алмазов по сравнению с природными алмазами типа IIa, отожженными природными алмазами типа IIa, отожженными природными алмазами типа Ia и отожженными синтетическими НРНТ алмазами типа Ib. Как показано на фиг.3, отожженные CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы обладают намного более высокой твердостью, чем природный алмаз типа IIa, как показано на выделенном точками прямоугольнике 10 на фиг.3. Все отожженные CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы также обладают намного более высокой твердостью, чем в случае приведенной области значений твердости поликристаллических CVD алмазов, как показано на выделенном точками прямоугольнике 20 на фиг.3. CVD-выращенные в индуцированной микроволновой плазме монокристаллические алмазы, представленные на фиг.3, имеют трещиностойкость 6-10 МПа м^1/2 и твердость 140-180 ГПа и признаки того, что они могут быть более твердыми.

Поскольку настоящее изобретение может быть осуществлено в нескольких формах, не отходя от сути или его существенных признаков, следует также понимать, что описанные выше варианты не ограничены никакими подробностями приведенного выше описания, если не оговорено особо, и их следует толковать широко в пределах его сущности и объема, которые определены в прилагаемой формуле изобретения, и поэтому подразумевается, что все изменения и модификации, которые входят в пределы объема формулы изобретения, или эквивалентны такому объему включены в прилагаемую формулу изобретения.

1. Монокристаллический алмаз, выращенный химическим осаждением из газовой фазы, индуцированным микроволновой плазмой, подвергнутый отжигу при давлениях свыше 4,0 ГПа и нагреванию до температуры свыше 1500°С, который обладает твердостью более 120 ГПа.

2. Монокристаллический алмаз по п.1, трещиностойкость которого составляет 6-10 МПа м^1/2.

3. Монокристаллический алмаз по п.1, твердость которого составляет 160-180 ГПа.

4. Монокристаллический алмаз по п.3, обладающий трещиностойкостью 6-10 МРа м^1/2.

5. Монокристаллический алмаз, обладающий твердостью 160-180 ГПа.

6. Монокристаллический алмаз по п.5, обладающий трещиностойкостью 6-10 МРа м^1/2.

7. Способ получения твердого монокристаллического алмаза, включающий:

выращивание монокристаллического алмаза путем химического осаждения из газовой фазы, индуцированного микроволновой плазмой; и

отжиг монокристаллического алмаза при давлениях свыше 4,0 ГПа и температуре свыше 1500°С для достижения твердости свыше 120 ГПа.

8. Способ п.7, в котором выращивание монокристаллического алмаза осуществляют в атмосфере N₂/CH₄=0,2-5,0% и СН₄/Н₂=12-20% при суммарном давлении 120-220 торр.

9. Способ п.7, в котором отжиг осуществляют для получения монокристаллического алмаза, обладающего твердостью свыше 160-180 ГПа.

10. Способ п.7, в котором выращивание монокристаллического алмаза осуществляют в атмосфере, имеющей температуру 900-1500°С.

11. Способ п.7, в котором отжиг осуществляют в течение 1-60 мин.

12. Способ п.7, в котором отжиг осуществляют для получения монокристаллического алмаза, обладающего твердостью свыше 140-180 ГПа.