РЕАКЦИОННАЯ ЯЧЕЙКА МНОГОПУАНСОННОГО АППАРАТА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ АСИММЕТРИЧНО ЗОНАЛЬНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА Российский патент 2001 года по МПК C30B29/04 B01J3/06 

Изобретение относится к области выращивания асимметрично зональных монокристаллов алмаза, предназначенных для изготовления различных видов однокристального алмазного инструмента, в частности к устройству реакционной ячейки многопуансонного аппарата типа "БАРС".

Известна реакционная ячейка для выращивания кристаллов алмаза на многопуансонном аппарате типа "БАРС", содержащая графитовый нагреватель цилиндрической формы, внутри которого установлена изолирующая втулка, и снабженная запирающими таблетками с токовводными графитовыми крышками и токовводами [1,2] . Внутри втулки помещены образец, состоящий из источника углерода - графита и металла-растворителя, расположенных в наиболее горячей зоне ячейки, и подложки с затравочным кристаллом.

Однако в ячейках данной конструкции центром роста кристалла алмаза является затравочный кристалл, который при разрастании оказывается в центре его нижней грани. Вследствие изменения условий роста в известных устройствах в направлениях от затравки к периферии кристалла алмаза образуется зональность (изменение свойств кристалла алмаза в виде зон роста). Зональность сказывается отрицательно на свойствах кристалла, особенно при использовании его в качестве однокристального алмазного инструмента. Кроме того, температурный градиент направлен по оси нагревателя и способствует равномерному разращиванию кристаллов во все стороны. Конструкция ячейки не позволяет создать условия, чтобы затравка была локализована на краю кристалла, и таким образом уменьшить проявление зональности в основной массе кристалла.

Наиболее близким из известных аналогов является реакционная ячейка многопуансонного аппарата высокого давления типа "БАРС" для выращивания асимметрично зональных монокристаллов, содержащая соосно установленные графитовый нагревательный элемент цилиндрической формы с токовводными графитовыми крышками и токовводными стержнями, установленными в центре запирающих ячейку таблеток, изолирующую внутреннюю втулку, выполненную из оксида магния, внутри которой в наиболее горячей зоне расположен источник углерода и металл-растворитель, а в холодной зоне расположена подложка с затравочными кристаллами алмаза [3]. В этой ячейке для получения асимметрично зональных монокристаллов в количестве 3-10 шт. токовводный стержень выполняют с выступами над центральной частью запирающей таблетки при соблюдении заданного соотношения толщины токовводной крышки и толщины стенки графитового нагревателя, а затравочные кристаллы располагают по периметру подложки, выполненной из смеси оксидов циркония, кальция и магния, на определенном расстоянии от ее края.

Однако конструкция данной ячейки предназначена для выращивания нескольких кристаллов алмаза (3-10 шт.), вес каждого из которых не превышает 0,3-0,5 карата и невозможно получить такое же количество кристаллов весом более 1 карата, предназначенных для изготовления определенных типов однокристального алмазного инструмента. Кроме того, в данной ячейке нет пространства по оси нагревателя для расположения крупного (более 1 карата) кристалла и при выращивании такого кристалла он неизбежно упрется верхней гранью в источник углерода и остановится в своем росте. Наконец сочетание бокового и радиального температурных градиентов в известной ячейке, предназначенных для роста нескольких кристаллов, не позволяет выращивать один крупный качественный кристалл алмаза и необходимо усилить отток тепла от зоны затравки.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в получении крупных, асимметрично зональных монокристаллов алмаза для однокристального алмазного инструмента.

Для этого в реакционной ячейке, содержащей соосно установленные цилиндрической формы нагревательный элемент с токовводными крышками и токовводными стержнями, установленными в центре запирающих ячейку таблеток, изолирующую внутреннюю втулку, в полости которой в наиболее горячей зоне размещены источник углерода и металл-растворитель, а в холодной зоне расположена подложка с затравочным кристаллом алмаза, источник углерода выполнен в виде кольца, причем внутренний диаметр кольца равен 1/2-1/3 внешнего диаметра, затравочный кристалл расположен на выступе подложки со смещением на 1/2-2/3 диаметра подложки от центра, токовводные стержни выполнены разной толщины, причем диаметр верхнего стрежня на 20-25% меньше диаметра нижнего стержня, а изолирующая внутренняя втулка выполнена из смеси оксидов циркония, магния и хлорида цезия при следующем соотношении компонентов, вес.%: ZrO₂ 60-70; MgO 10-15; CsCl 15-30.

Выполнение источника углерода в виде кольца и расположение затравочного кристалла на выступе подложки со смещением обеспечивают необходимый объем для роста крупного кристалла, причем смещение затравочного кристалла позволяет выращивать кристаллы алмаза, у которых наиболее дефектная затравочная часть локализована у края кристалла, т.е. получать крупные асимметрично зональные кристаллы алмаза. Подбор толщины токовводных стержней, при котором диаметр верхнего стержня на 20-25% меньше диаметра нижнего, позволяет создать оптимальный температурный градиент и отвод тепла от растущего кристалла в кристаллизационном объеме в течение всего периода выращивания. Состав изолирующей внутренней втулки позволяет обеспечить сохранность графитового нагревателя от вытекания на него расплава металла с прекращением нагрева в длительных опытах выращивания крупных кристаллов.

Предложенная конструкция реакционной ячейки позволяет получать крупные асимметрично зональные кристаллы алмаза, где наиболее дефектная часть кристалла локализована с одного края кристалла в зоне затравки. Поэтому основная часть кристалла, которая используется в работающем алмазном инструменте, является незональной, однородной и обладает наиболее высоким качеством.

На фиг. 1 а представлена реакционная ячейка для выращивания крупных асимметрично зональных монокристаллов алмаза; на фиг. 1б показана схема расположения затравочного кристалла на подложке (пунктирами показаны контуры вырастающего кристалла алмаза).

Ячейка установлена в рабочее тело кубической формы (на фиг. 1 а не показано) и состоит из трубчатого графитового нагревательного элемента 1 с токовводными графитовыми крышками 2, контактирующими непосредственно с молибденовыми дисками 3. Диски установлены с возможностью контакта с молибденовыми токовводными стержнями 4, выполненными разной толщины и расположенными в центре запирающих таблеток 5. Внутри графитового нагревателя установлены изолирующая таблетка 6 и изолирующая втулка 7, внутри которой расположена шихта. Шихта состоит из источника углерода - графита в виде кольца 8, железоникелиевого металла-растворителя 9. В нижней части ячейки расположена подложка 10 с запрессованным на выступе со смещением от ее центра затравочным кристаллом алмаза 11.

Реакционная ячейка работает следующим образом.

Пример 1. Во внутренней изолирующей втулке (7), выполненной из смеси оксидов металлов и хлорида цезия, вес.%: ZrO₂ = 60, MgO = 10; CsCl = 30, расположена подложка (10) диаметром 15 мм, на выступе которой установлен затравочный кристалл алмаза (11) таким образом, что он смещен на 1/3 диаметра подложки от ее центра. Ближе к центру ячейки помещают шайбу металла-растворителя (9) диаметром 15 мм и высотой 3 мм, в самой горячей зоне ячейки помещают кольцо (8) источника углерода (графит) внешним диаметром 15 мм, внутренним диаметром 7,5 мм и высотой 2 мм. Внутреннюю изолирующую втулку (7) с шихтой устанавливают в графитовый нагреватель (1) высотой 16 мм с толщиной стенки 0,5 мм, закрывают токовводными графитовыми крышками (2) толщиной 1,5 мм и далее запирающими таблетками (5) с токовводными стержнями (4), причем диаметр нижнего стержня 3 мм, а диметр верхнего стержня составляет 2,5 мм, т.е. на 20% меньше. Рабочее тело кубической формы, в которое помещена реакционная ячейка, устанавливают в рабочую полость многопуансонного аппарата высокого давления (БАРС). Создают давление 55 кбар и температуру 1550^oC, в зоне роста устанавливается градиент температуры 15^oC, указанные режимы роста выдерживают 108 часов. За этот период времени происходит рост кристалла алмаза на затравку. Отключают температуру, сбрасывают давление, извлекают реакционную ячейку. Металл растворяют и извлекают выращенный алмаз. Получен кристалл алмаза весом 1,3 карата. Кристалл изометричный, октаэдрического габитуса, янтарно-желтого цвета, включения металла только в зоне затравки. Под микроскопом кристалл алмаза асимметрично зональный и основная его масса однородная, без включений, зон роста, микродвойников, трещин и других дефектов.

Пример 2. Используют изолирующую втулку, выполненную из смеси оксидов металлов и хлорида цезия, вес.%: ZrO₂ = 70; MgO = 15; CsCl = 15. На выступе подложки диаметром 15 мм установлен затравочный кристалл алмаза таким образом, что он смещен на 2/3 диаметра выступа подложки от ее центра. В самой горячей зоне помещают кольцо источника углерода внешним диаметром 15 мм, внутренним диаметром 5 мм. Далее, как в примере 1, используя запирающие таблетки с токовводными стержнями, причем диметр нижнего стержня 3 мм, а диаметр верхнего стержня составляет 2,25 мм, т.е. на 25% меньше. Заданные режимы выдерживают 140 часов. Получен кристалл алмаз весом 1,8 карата. Кристалл изометричный, октаэдрического габитуса, янтарно-желтого цвета, включения металла только в зоне затравки в периферической части. Под микроскопом кристалл алмаза асимметрично зональный и основная его масса однородная, без включений, зон роста, микродвойников, трещин и других дефектов.

Таким образом, предложенная реакционная ячейка позволяет получать крупные асимметрично зональные кристаллы алмаза, у которых наиболее дефектная часть локализована с одного края кристалла в зоне затравки. Поэтому основная часть кристалла является однородной, незональной и в ряде случаев выше по качеству, чем природные алмазы.

Источники информации
1.Чепуров А.И., Пальянов Ю.Н., Хохряков А.М. и др. Морфология кристаллов алмаза, синтезированных в системе Ni-Mn-C на аппарате типа "разрезной куб". - Труды ИГиГ СО АН СССР, Проблемы теоретической и генетической минералогии/ Изд. Наука, Новосибирск, 1981, вып. 499, С.38-40.

2. Пальянов Ю.Н., Малиновский И.Ю., Борздов Ю.М. и др. Выращивание крупных кристаллов алмаза на беспрессовых аппаратах типа "разрезная сфера". - Доклады АН СССР, 1990, т. 315, N 5, с. 1221-1224.

3. Чепуров А.И., Федоров И.И., Сонин В.М. и др. Реакционная ячейка для выращивания асимметрично зональных монокристаллов алмаза. - Патент РФ N 2128548, МПК: В 01 J 3/06, С 30 В 29/04, заявлено N 97103542/25, заявлено 17.03.97, Бюл. N 10, 10.04.99 (прототип).

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов алмаза на многопуансонных аппаратах типа "БАРС" для изготовления различных видов однокристального алмазного инструмента. Сущность изобретения: реакционная ячейка содержит соосно установленные цилиндрической формы нагревательный элемент с токовводными крышками и токовводными стержнями, выполненными разной толщины, причем диаметр верхнего стержня на 20-25% меньше диаметра нижнего, запирающие ячейку таблетки и внутреннюю изолирующую втулку, в полости которой в наиболее горячей зоне размещен источник углерода и металлорастворитель, причем источник углерода выполнен в виде кольца, у которого внутренний диаметр равен 1/2-1/3 внешнего диаметра. В холодной зоне полости изолирующей втулки расположена подложка, на выступе которой со смещением на 1/3-2/3 диаметра подложки от ее центра расположен кристалл алмаза. Изолирующая внутренняя втулка выполнена из смеси оксидов циркония, магния и хлорида цезия при следующем соотношении компонентов, вес.% Zr0₂ 60-70; Mg0 10-15; CsCl 15-30. Изобретение обеспечивает получение асимметрично зональных кристаллов алмаза весом более 1 карата, у которых дефектная часть локализована с одного края. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Реакционная ячейка многопуансонного аппарата высокого давления для выращивания асимметрично зональных монокристаллов алмаза, содержащая соосно установленные цилиндрической формы нагревательный элемент с токовводными крышками и токовводными стержнями, установленными в центре запирающих ячейку таблеток, изолирующую внутреннюю втулку, в полости которой в наиболее горячей зоне размещен источник углерода и металл-растворитель, а в холодной зоне расположена подложка с затравочным кристаллом алмаза, отличающаяся тем, что источник углерода выполнен в виде кольца, затравочный кристалл расположен на выступе подложки со смещением по диаметру от ее центра, токовводные стержни выполнены разной толщины, причем диаметр верхнего стержня на 20-25% меньше диаметра нижнего, а изолирующая внутренняя втулка - из смеси оксидов циркония, магния и хлорида цезия. 2. Реакционная ячейка по п.1, отличающаяся тем, что внутренний диаметр кольца источника углерода равен 1/2-1/3 его внешнего диаметра. 3. Реакционная ячейка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что состав изолирующей втулки определен следующим соотношением компонентов, вес.%: ZrO₂ 60-70; MgO 10-15; CsCl 15-30. 4. Реакционная ячейка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что смещение затравочного кристалла относительно центра подложки составляет 1/3-2/3 ее диаметра.