[发明专利]金刚石的合成方法

说明书

本发明涉及金刚石的合成方法和设备。

特别是，本发明优选涉及一种由具有饱和的、优选过饱和的溶解碳的流体连续生产金刚石的工艺。独特的是，碳源的溶解和金刚石的生长均在原子氢等离子体和/或原子氢自由基存在下进行。这些步骤在设备的两个不同区域中进行，使得可以对金刚石的合成条件进行精确控制以获得宽范围的终端产品形状和形式。

US 3,142,539描述了在垂直环路结构中来自含有过饱和的碳的液态金属的金刚石生长。石墨在环路的基部溶解在热液态金属溶剂中，形成饱和(相对于石墨)碳-金属熔融物。该流体随后通过对流移向环路的顶部，在该处冷却，以使其具有相对于金刚石过饱和的碳。然后将种子金刚石保持在环路的冷部，并观察其生长，但这种生长是很缓慢的。所述设备是封闭的金属结构，因此其构建、维护和运行非常昂贵。内部气氛在存在时是惰性的(即为氩气)。US 3,142,539中所述方法是一种得到非常小的金刚石生长速率且使用难以维护的设备的昂贵方法。所形成的实际金刚石团块也因系统无法控制生长区域中与金刚石一起的石墨的成核而不总是具有优良品质，这导致产生金刚石和石墨的多晶团块而不是纯金刚石。

US 6,342,195描述了制备金刚石的方法，所述方法包括将至少一种非气相碳源材料与至少一种包含至少一种金属的材料混合在一起。金属或合金包括来自过渡金属系或镧系金属中的至少一种元素。所形成的晶体的尺寸非常小，这是因为一旦初始的碳过饱和条件减弱则很低的生长速率动力学将占据主导。这是因为系统不能连续补充溶液所流失的碳。因此，这实际上限制了可以生产的最终产品的尺寸。

US 7,547,358描述了一种在本质上类似于Brinkman在US 3,142,539中所描述的封闭的环路结构中合成金刚石的系统。所述系统优选使用液体形式(元素形式或氢化物形式)的高反应性碱金属族金属作为溶剂介质。该系统使用电磁泵或物理泵来帮助溶剂围绕环路流动，并描述了几种在实验结束时取出长成的晶体的方法。该发明主要是一个低温系统，但提到了采用基于铟、镓和铅的生长。

US 7,547,358中高反应性碱金属的使用具有潜在危险性。例如，US 7,547,358中描述的系统在任何氧或水蒸气与系统内容物进行接触时将会发生灾难性的爆炸。维护该系统所需的安全措施和程序将会非常昂贵，这影响了所述工艺的经济性。因此理想的是提供一种更安全、更经济的合成金刚石的工艺。

US 7,547,358的方法被设计成在中等温度(800℃以下)运行。现有技术认为，这将严重限制所产生的金刚石(若有任何金刚石产生)的生长速率。

US 5,404,835公开了CVD (化学气相沉积)工艺，其中金刚石在CVD反应器中于液态氢化镍膜上生长。金刚石晶体形成在液态金属/金属氢化物表面上，它们根据其最低自由能态(此处通过界面能所确定)在弯液面上自身进行取向。在晶体相遇之前其发生进一步的CVD生长，因此所形成的膜具有高度取向的晶面。

US 4,485,080提及一种利用骤冷技术由含有过饱和的溶解碳的液态金属合金熔融物制造细金刚石砂粒的工艺。该技术依赖于首先使金属合金在高温含有过饱和的碳，然后利用粉末冶金中常用的喷射技术使该混合物骤冷。所期望的是，骤冷所引起的影响溶剂介质的界面能效应和较大的化学势变化倾向于有利于例如微小的金刚石核而不是石墨核的产生。然后这些微小的金刚石在固态溶液中缓慢生长，这通过长期对该固体材料加热来进行。

本发明旨在克服现有技术的至少一些缺点。

本发明的一个目的是提供一种合成金刚石的改进方法和设备。优选的是，所述方法能使金刚石在连续的工艺中合成。

在本发明的第一方面中，提供了一种金刚石的合成方法，所述方法包括：

(i)在原子氢等离子体存在下和/或在原子氢自由基存在下，在溶解区中提供具有相对于石墨沉淀饱和的碳的液态金属；

(ii)将至少一部分液态金属由溶解区转移至沉积区；

(iii)将沉积区中的液态金属暴露于原子氢等离子体和/或原子氢自由基，沉积区中液态金属的温度低于溶解区中液态金属的温度，以使沉积区中液态金属具有相对于金刚石沉淀的饱和、优选过饱和的碳；

(iv)使碳从沉积区中的液态金属沉积以合成金刚石；和

(v)可选地从金属中取出合成的金刚石。

在本发明的第二方面中，提供了一种用于合成金刚石的设备，所述设备包括：

用于将碳溶解在液态金属中的溶解区，该溶解区包括将原子氢等离子体和/或原子氢自由基应用于所述区中的液态金属的装置；