[发明专利]金刚石的合成

说明书

发明背景

本发明涉及合成金刚石的方法

在高温和高压条件下合成金刚石是公知的并得到很好发展。具有两种主要使用的方法，均是由溶体制得。一种方法是温度梯度方法，另一种是同素异形变化方法。在温度梯度方法中，晶体生长的驱动力是由于源材料与生长晶体间温度的差异导致的溶解性的差异而引起的过饱和。在同素异形变化方法中，晶体生长的驱动力是由于源材料和生长晶体间同素异形(或多晶态)的差异导致的溶解性的差异而引起的过饱和。

几乎所有由溶体合成的金刚石都含有氮，并且是Ib型金刚石。

当生长具有通常低于1ppm(百万分之质量份)的氮含量的IIa型金刚石时，通过在升高的温度下在高真空中的排气(或脱气)能实现从原料中除去氮。然而，通常并不使用此方法。而包括化学分离原理(partitioningprinciple)或除气的方法是有利的。在此方法中，无需努力或仅作出有限的努力，通过向溶剂/催化剂中添加典型地为过渡金属钴、铁和镍的熔融合金的试剂从原料中除去氮。这种试剂作为溶质或是作为沉淀的氮化物或碳氮化物具有在金属熔体中优先螯合氮的作用。这样的试剂典型地是像钛、锆和铝的元素。如果出于任何原因，认为这些元素在最终生长的晶体中是不希望的污染物，明显的替换是通过高温排气直接物理除氮的方法。除了从合成材料中完全排出氮的技术困难之外，还有至今没有使用这种方法的进一步原因。此原因与在实践中观察到的、原料排气的某些负面影响有关。这些是：

1.在没有氮和其它气体的条件下，金刚石晶体较低的生长速度；

2.当由已经排气的材料进行生长时，特别是当材料已经除去氮和其它含氮气体时，较高的金属包体含量；

3.出现较少的生长区域以及它们的(113)(115)(110)晶面；

4.碳在溶剂/催化剂中较高的溶解性，并且随后在生长早期阶段侵蚀金刚石晶种；和

5.由排气材料生长的金刚石更易于破裂，发生内部应变，且透明度差。

因为这些困难，为确保高纯IIa型金刚石的生长，直接物理除氮并没有得以有效或商用的实施。

发明概述

根据本发明，合成金刚石的方法包括步骤：提供碳源和溶剂/催化剂的反应混合物，在高温和高真空下预处理反应混合物或各组分以基本上除去所有的气氛气体和其它轻挥发性原子并在降低的温度下用所需的生产气体(process gas)替换它们，和在有生产气体存在下，使预处理的反应混合物经受在碳相图的金刚石稳定区域内的升高的温度和压力条件。

生产气体是优选具有下列性能中的两种或多种且优选具有所有下列性能的气体：

(1)它将提高金刚石生长速度；

(2)它将减少溶剂/催化剂包体；

(3)它将使合成金刚石(生长的晶体)的形态向主晶面和块状(blockiershape)转换；

(4)它优选在所需的高生长速度下减少在生长晶体中的破裂和应变；和

(5)它将允许用杂原子例如P(磷)或S(硫)对金刚石晶体进行受控的和均匀的掺杂。

特别适合的生产气体的实例是甲烷、氢、磷化氢、氨、同位素纯的氮或氨、二硼烷、硅烷或产生氢的气体例如水蒸气、乙烷、硫化氢和乙醇蒸气。

本发明特别应用于生产低氮含量和大尺寸的高质量金刚石。典型地，这样的金刚石将具有低于1ppm的氮含量和至少0.5克拉的尺寸。将通过温度梯度方法制备这样的金刚石。这种方法包括提供通过大量溶剂/催化剂与晶种分离的碳源反应物料，并使容器内的物质经受在金刚石稳定的范围内的升高的温度，以使在碳源和晶种间建立温度梯度，其中晶种在该温度梯度的低端。

在本发明的一个优选实施方式中，对碳源和溶剂/催化剂进行处理以尽可能降低氮含量，优选低于1ppm。

碳源可以是任何本领域中已知的，包括可以是CVD金刚石的金刚石，且优选是石墨。

溶剂/催化剂可以是任何本领域中已知的，但优选是钴、铁或镍或两种或多种这些金属的组合或含有一种或多种这些金属的合金。

附图描述

图1示意性说明了用于本发明方法的反应物料实例。

图2说明含有图1的反应物料的容器截面图，和

图3说明了用于本发明方法的气体回填腔室的截面图。

实施方式的描述