СПОСОБ СИНТЕЗА АЛМАЗА Российский патент 2004 года по МПК C01B31/06 C30B7/10 C30B29/04 C23C16/27 

Область техники.

Изобретение относится к способам искусственного синтеза монокристаллов алмаза - как с заранее заданными физическими свойствами: полупроводниковыми, люминесцентными, цветными и т.п., так и без примесей с высокой оптической прозрачностью. Применение таких кристаллов, например, в электронике должно существенно улучшить технические характеристики многих ее элементов.

Уровень техники.

Алмаз является не только ювелирным, но и уникальным техническим материалом, обладающим рядом рекордных физических параметров среди всех известных минералов, что открывает ему широкое применение в различных областях народного хозяйства.

Известно несколько способов искусственного синтеза алмазов. Одним из наиболее распространенных является способ синтеза путем фазового перехода графита в алмаз в среде расплавленных металлов-катализаторов при температурах выше 1100°С и давлениях выше 45 тысяч атмосфер [1 (90) - в полукруглых скобках страница]. Этим способом получены монокристаллы алмаза массой до нескольких десятков карат. Но из-за больших энергетических затрат и сложной техники стоимость их близка к стоимости природных алмазов. Кроме того, такие алмазы содержат в себе примеси металлов-катализаторов, ухудшающих их электрофизические свойства.

Известны способы синтеза алмаза в конденсированной водной среде при относительно низких температурах и давлениях [2, 3, 4]. Общим в этих способах является введение в водные растворы химических веществ, содержащих углерод и катализаторы. Протекающие при синтезе процессы имеют гетерогенный характер - образование атомарного углерода происходит в непосредственной близости от поверхности твердотельного углеродсодержащего вещества (порошков SiC или мелкодисперсного углерода), либо на поверхности твердотельного катализатора (в основном - поверхности металлов). Недостатком этих способов является трудность синтеза крупных кристаллов алмаза.

Известен и широко применяется ионно-плазменный способ получения поликристаллических алмазных пластин и пленок в газовой среде при невысоких давлениях [5]. Сущность его заключается в разложении углеродсодержащего газа до атомарного углерода либо микроволновой плазмой, либо электрическим разрядом, либо нагретой до 2000-2500°С вольфрамовой нитью. Для устранения параллельного образующегося графита к углеродсодержащему газу добавляют водород. Но при этом образуются радикалы углеводородов вида С_nН_m, которые входят в растущую алмазную структуру и ухудшают ее электрофизические свойства. Содержание водорода в полученных таким способом алмазных пленках может достигать 56 атомных % [6 (168)].

Известен способ синтеза алмаза [7], включающий: помещение затравочных кристаллов алмаза и катализатора, выбранного из группы металлов: Pt, Jr, Os, Re, Au, Pd, Ru, Rh, Ag и Ni, в камеру, напуск углеродсодержащего газа - СО (90,0-99,5 об.%) и Н₂ (10,0-0,5 об.%), нагрев камеры до температур из интервала 600-1100°С. При этих условиях общее давление газов составляет 1 - 2000 атм, и происходит химическое разложение СО по следующим реакциям:

и

в результате которого образуется атомарный углерод, осаждающийся на алмазных затравках в форме алмаза и графита. Последний удаляют после извлечения алмаза из камеры химическими способами.

Приведенные выше реакции (1) и (2), по нашему мнению, более детально следует интерпретировать следующим образом. Первоначально в результате разложения окиси углерода получаются атомы углерода в одном наиболее высоком энергетическом состоянии, и, согласно правилу ступенчатых переходов Гей-Люссака и Оствальда [1 (109)], их осаждение должно происходить в виде алмаза. Затем при определенных условиях может произойти полиморфный переход на более низкий энергетический уровень - на уровень графита. Поэтому уравнения (1) и (2) без изменения сущности процесса разложения можно написать следующим образом:

Реакция (3) - это давно известная обратимая реакция Будуара. Для осуществления перехода (5) необходимо, чтобы температура была выше некоторого значения, которое зависит от давления и химического состава окружающей среды, размеров образующихся кластеров алмаза и совершенства их кристаллической решетки. Из описания патента [7] следует, что переход (5) может происходить при температуре 600°С и выше.

К недостаткам способа следует отнести большие энергетических затраты и сложность его реализации, требующую сосуд, выдерживающий давление до 2000 атм, при температуре до 1100°С. Кроме того, наличие в среде синтеза водорода ведет, как предполагается, к его диссоциации на поверхности катализатора и, следовательно, к вхождению образующихся радикалов углеводородов вида С_nН_m, а также образующегося во время синтеза графита, в решетку растущих алмазов, что ухудшает их электрофизические свойства.

Последний из описанных способов, как наиболее близкий по технической сущности, выбран в качестве прототипа.

Сущность изобретения.

Задачей изобретения является создание технологически простого способа синтеза алмаза без примесей графита и водорода в кристаллической решетке.

Техническим результатом заявляемого способа является: снижение энергетических затрат при реализации способа и повышение качества получаемых кристаллов алмаза.

Технический результат по первому пункту заявляемого способа достигается тем, что в способе синтеза алмаза, включающем помещение затравок алмаза и катализатора в камеру, напуск углеродсодержащего газа - окиси углерода и нагрев, новым является то, что перед напуском газа в камеру ее частично наполняют водой, катализатором, придающим среде щелочной характер, служит, по крайней мере, одна водорастворимая соль, при этом напуск окиси углерода осуществляют до давления 1-150 атм, а нагрев камеры производят до температуры из интервала 180-450°С.

Во втором пункте способа новым является то, что в камеру дополнительно помещают мелкодисперсный углерод и напускают двуокись углерода, при этом нагрев камеры производят с градиентом температуры, при котором область камеры с алмазной затравкой имеет меньшую температуру, а область камеры с мелкодисперсным углеродом - более высокую температуру.

В третьем пункте способа новым является то, что катализатор выбирают из группы хлоридов: NaCl, KCl, MgCl₂, CaCl₂, МnСl₂, FeCl₃, СrСl₃, ТiСl₃, NH₄Cl и карбоната: К₂СО₃.

В четвертом пункте способа новым является то, что в водную среду дополнительно вводят водорастворимые химические вещества, в состав которых входят легирующие алмаз примеси.

Покажем, каким образом осуществляется достижение технического результата в заявляемом способе.

Наполнение камеры водой перед напуском в нее окиси углерода до давления 1-150 атм позволяет получить однородный раствор окиси углерода и катализатора в воде. Последующий нагрев активирует химическое разложение растворенной окиси углерода по реакции (3) одновременно по всему объему раствора. Сущность реакции разложения одинакова при различных начальных давлениях окиси углерода, меняется лишь скорость поступления атомарного углерода в раствор, что позволяет целенаправленно управлять скоростью роста алмаза и его качеством.

Минимальное значение температуры для разложения окиси углерода по реакции (3) составляет ~180°С. Это следует из анализа состава газовой фазы фумаролов [8 (242)]. Окись углерода в составе выделяющихся газов наблюдается при температурах ниже 180°С, из чего и следует, что при температурах выше 180°С она разлагается.

Максимальная температура разложения окиси углерода определяется критической температурой водного раствора. По аналогии с природными грунтовыми растворами она зависит от растворенных компонентов, и ее значения находятся в интервале 374-450°С [8 (33)].

Таким образом, в результате разложения окиси углерода получается однородный раствор углерода в воде. И следовательно, синтез алмаза по заявляемому способу осуществляют при существенно меньших температурах (180-450°С) по сравнению с прототипом (600-1100°С), что снижает энергетические затраты и упрощает технологию синтеза.

Как отмечалось, осаждение получившегося атомарного углерода, согласно правилу ступенчатых переходов Гей-Люссака и Оствальда, сначала должно происходить в виде алмаза по реакции (4). Низкие температуры осуществления способа, определяемые реакцией (3), предотвращают дальнейший переход алмаза в графит по реакции (5). Поэтому отпадает необходимость присутствия в среде синтеза водорода для удаления образующегося графита. Все это вместе исключает возможность вхождения и графита, и водорода в кристаллическую решетку, что ведет к повышению качества кристаллов алмаза.

Использование катализатора, придающего конденсированной водной среде щелочной характер и представляющего собой, по крайней мере, одну водорастворимую соль, выбранную из группы хлоридов: NaCl, KCl, MgCl₂, CaCl₂, МnСl₂, FeCl₃, СrСl₃, ТiСl₃, NH₄Cl и карбоната: К₂СО₃, при нагреве ускоряет процесс химического разложения окиси углерода за счет участия в нем радикалов ОН по цепному механизму

Кроме снижения энергетических затрат, катализатор разрушает экранировку поверхности затравки алмаза слоем ранее адсорбированных газов и предотвращает его появление во время синтеза. Это также повышает качество синтезируемых алмазов.

Дополнительное введение в камеру мелкодисперсного углерода и двуокиси углерода приводит к их химическому взаимодействию в водной среде в области камеры с более высокой температурой по обратимому варианту реакции (3) и образованию окиси углерода до состояния термодинамического равновесия. Нагрев камеры с градиентом температуры обеспечивает конвективное движение водной среды в объеме камеры. В области камеры с меньшей температурой происходит смещение термодинамического равновесия реакции (3), и часть окиси углерода разлагается, образуется атомарный углерод и происходит рост помещенной здесь затравки алмаза. Но за счет перемещения водного раствора происходит постоянная компенсация разложившейся части окиси углерода. В результате увеличивается продолжительность процесса синтеза алмаза при одной заправке кюветы до полного расхода мелкодисперсного углерода и полного разложения окиси углерода. Кроме снижения энергетических затрат, при таком процессе повышается качество кристаллов за счет того, что синтез алмаза происходит при постоянных химических параметрах среды синтеза.

Дополнительное введение в водную среду химических веществ позволяет придать алмазу заранее заданные физические свойства за счет вхождения введенных веществ или их радикалов в кристаллическую решетку растущего алмаза.

На фотографиях представлены конкретные изменения конфигурации и внешнего вида одной из граней алмазной затравки после четырех опытов с наросшим слоем алмаза.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

По первому пункту способа синтеза алмаза в кювету помещают затравочные кристаллы алмаза и катализатор в виде, по крайней мере, одной водорастворимой соли, выбранной из группы хлоридов: NaCl, KCl, MgCl₂, CaCl₂, МnСl₂, FeCl₃, СrСl₃, ТiСl₃, NH₄Cl и карбоната: К₂СО₃. Частично (часть объема должна остаться для окиси углерода) заполняют камеру водой, затем камеру герметизируют. Напускают окись углерода до давления 1-150 атм. Производят нагрев камеры до температуры из интервала 180-450°С. При таких температурах происходит разложение окиси углерода и начинается синтез алмаза. Синтез алмаза можно вести до полного разложения окиси углерода.

В процессе синтеза максимальная величина давления над раствором определяется суммой давления паров водного раствора и давления окиси углерода при максимальной температуре. Так, например, при начальном давлении окиси углерода, равном 150 атм (максимальное давление в продаваемых баллонах), и при нагреве до 450°С эта сумма может достигать 300-400 атм. А при начальном давлении окиси углерода - 1 атм и такой же температуре максимальное давление над раствором, из-за присутствия катализатора и согласно первому закону Рауля, будет меньше давления паров воды при критической температуре - 218 атм.

В процессе разложения окиси углерода получается двуокись углерода, которая почти на порядок лучше, чем окись углерода [8 (168)], растворяется в воде. Поэтому парциальное давление этих газов над раствором во время синтеза падает. В пределе минимальное давление над раствором в основном будет определяться давлением паров воды при температуре 180°С, которое равно 10 атм, и некоторой частью оставшейся нерастворенной двуокисью углерода.

По второму пункту способа синтеза алмаза в кювету дополнительно вводят мелкодисперсный углерод в виде графита, наноалмазов и т.п. и двуокись углерода. Нагрев камеры производят с градиентом температуры (можно использовать перегородки) для создания конвективного движения водной среды и условий разложения и компенсации окиси углерода, соответственно, в областях камеры с меньшей и большей температурой. Для этого мелкодисперсный углерод помещают в область камеры, в которой будет более высокая температура, а затравку алмаза - в область с меньшей температурой.

В процессе синтеза максимальное давление над раствором будет определяться суммой давления паров водного раствора и давлением смеси окиси и двуокиси углерода при максимальной температуре. В связи с тем, что равновесная термодинамическая доля окиси углерода в районе максимальных температур осуществления способа мала по сравнению с давлением двуокиси углерода, можно принять, что давление определяется суммой давлений паров раствора и двуокиси углерода. Согласно диаграмме изотерм и известной практике работы с этой системой [9 (120)] максимально возможное суммарное давление паров водного раствора и двуокиси углерода в районе максимальных температур можно оценить в 1600 атм. А минимальное давление определится их давлением при температуре 180°С, и оно может быть оценено в 20 атм.

В этом случае синтез алмаза можно вести до полного расхода мелкодисперсного углерода и полного разложения окиси углерода.

По третьему и четвертому пунктам способа синтеза алмаза введение в водную среду катализаторов разложения окиси углерода и химических веществ для легирования алмаза не представляет каких-либо особенностей.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого способа.

В процессе реализации способа нами были проведены следующие эксперименты. В герметичную камеру объемом 150 см³, способную выдержать возникающие во время синтеза давления и химически устойчивую к щелочной среде при температурах синтеза, помещались затравка - синтетический алмаз Ереванского завода "Алмаз" размером около 0,4 мм, вода и катализаторы: К₂СО₃ и FеСl₃ с концентрацией, соответственно, около 0,1 и 0,3 грамма на миллилитр раствора. Камера герметизировалась и из стандартного промышленного баллона заполнялась окисью углерода до давления около 80 атм. Затем за время около одного часа камера нагревалась до температуры 350°С. После выдержки камеры в течение примерно 20 часов при температуре 350°С камера быстро - примерно за 1 минуту - охлаждалась. Остаточное давление в камере составляло несколько атмосфер, что свидетельствует о почти полном разложении окиси углерода. После извлечения затравки из камеры осуществлялось ее фотографирование. Анализ внешнего вида отдельных граней затравки позволил зарегистрировать факты изменения их конфигурации, проявляющиеся конкретно в появления наростов с ровными ребрами на месте ребер со сколами, а также в появлении ступеньки роста на грани, а затем ее исчезновения.

Тестирование появившихся кристаллических наростов на принадлежность алмазу осуществлялось следующими способами:

- по внешнему виду в иммерсионной жидкости, который свидетельствует, что коэффициент преломления наростов такой же, что и у алмазной затравки,

- химическим травлением наростов в различных кислотах, включая плавиковую, которое показало их химическую нейтральность, что свойственно алмазу,

- термическим циклированием, которое показало, что образовавшиеся наросты имеют одинаковый коэффициент теплового расширения с алмазной затравкой и прочно с нею связаны.

Опыт нашей работы с различными микрокристаллами показал, что приведенных тестов вполне достаточно, чтобы установить алмазную структуру наростов на алмазной затравке. Более трудоемкие методы тестирования (рентгеновское и комбинационное рассеяние) целесообразно применять лишь для определения количественных характеристик алмазной решетки.

Конкретные изменения конфигурации и внешнего вида одной из граней затравки после четырех опытов, демонстрирующие процесс роста кристалла алмаза, представлены на фотографиях.

На верхнем фото показан первоначальный вид грани, представляющий собой плоскую геометрическую фигуру сложной формы, одно из ребер которой (верхнее с внешней левой стороны) имеет незначительный скол.

На втором фото сверху та же грань после первого опыта. Видно, что скол на верхнем ребре грани исчез, и все внешние ребра грани имеют бездефектный, прямолинейный вид.

На третьем фото сверху, показывающем результаты после второго опыта, видно, что на внешних левом и нижнем ребрах наблюдаемой грани появились некоторые неровности, которые можно трактовать как начавшие развиваться ступеньки роста.

На четвертом фото сверху, полученном после третьего опыта, четко видна ступенька роста на грани алмазной затравки. Видно, что наблюдаемая грань состоит уже из двух параллельных друг другу плоскостей. На внешнем нижнем ребре грани появился значительный по размерам скол.

На пятом фото сверху, полученном после четвертого опыта, видно, что появившаяся ступенька роста на наблюдаемой грани исчезла, то есть грань полностью заросла, а верхнее и нижнее ребра грани имеют прямолинейную бездефектную форму. Кроме того, в левой верхней части грани появился небольшой фрагмент следующей ступеньки роста.

Таким образом, экспериментально получен факт искусственного роста алмаза по заявляемому способу.

По фотографиям после второго, третьего и четвертого опытов, на которых видно зарождение, развитие и завершение процесса роста ступеньки на грани, можно оценить, по крайней мере, нижний предел скорости роста алмаза в описанных выше условиях. С помощью мерной линейки микроскопа МБС-10, через оптику которого осуществлялось фотографирование граней затравки, высота ступеньки роста оценивается примерно в 20 мкм. Суммарное время роста этой ступеньки (зародившейся в конце второго опыта и полностью заросшей к концу четвертого опыта) составляет около 40 часов. То есть средняя скорость роста фотографируемой грани была не менее 0,5 мкм/час. Эта величина близка к известным экспериментальным данным по скорости роста алмаза другими методами - в плазме СВЧ-разряда и в расплавах металлов. Из имеющейся практики этих способов известно, что наиболее качественные поликристаллические пластины и монокристаллы алмаза получаются при невысоких скоростях роста порядка 1 мкм/час.

Известно, что с увеличением температуры скорость химических реакций увеличивается. Поэтому можно утверждать, что с уменьшением температуры скорость синтеза алмазов по заявляемому способу будет уменьшаться, а при увеличении - увеличиваться.

Реализация заявляемого способа по пп.2-3, позволяющая вырастить крупные кристаллы алмаза, по нашему мнению, не вызывает сомнений.

Заявляемый способ синтеза алмаза осуществляется при относительно невысоких температурах и давлениях, что не требует для реализации сложной и дорогостоящей техники - камер сверхвысокого давления и мощных СВЧ-установок, может выполняться в уже практически отработанных и серийно выпускаемых автоклавах с рабочим объемом от нескольких литров до единиц кубометров. Заявляемый способ требует меньших энергетических затрат по сравнению с синтезом алмаза в расплавленных металлах, аналогичен уже отработанным гидротермальным способам выращивания многих других кристаллов. Поэтому можно заключить, что он пригоден для успешного промышленного применения.

К достоинствам способа следует отнести: отсутствие плазмы и водорода в среде синтеза, что ведет к повышению качества кристаллов алмаза. К месту отметить и отсутствие азота в среде синтеза, поэтому получаемые алмазы - безазотные.

Способ по п.4 позволяет использовать уже существующий опыт легирования различных кристаллов в процессе их искусственного роста. Поэтому возможно относительно простое и однородное легирование всего объема кристаллов и многократное воспроизведение одних и тех же параметров легирования в разных кристаллах, что крайне редко осуществляется в природных условиях. Возможность стабильной повторяемости электрофизических характеристик является необходимым условием для использования алмаза в серийных производствах различных электронных приборов. А в совокупности с существенным уменьшением стоимости синтеза алмазов по заявляемому способу открывается перспектива широкого использования алмазов в электронике.

Использованная литература

1. Костиков В.И. и др. Графитизация и алмазообразование. М.: Металлургия, 1991, 224 с.

2. Соловьев Ю.А., Баранов В.К. Пат. RU №2181793 по МКИ, опубл. 27.04.2002.

3. Соловьев Ю.А., Баранов В.К. Пат. RU №2181794 по МКИ, опубл. 27.04.2002.

4. Соловьев Ю.А., Баранов В.К. Пат. RU №2181795 по МКИ, опубл. 27.04.2002.

5. Атомная техника за рубежом, 1990, №8, с.14-20.

6. Алешин В.Г. Химия поверхности алмаза. Киев, НД, 1990, 168 с.

7. H.J. Hibshman. DIAMOND GROWTH PROCESS. Пат. США №3371996. Заявл. 20.1.1964. Опубл. 5.3.1968.

8. Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1996, 425 с.

9. Икорникова Н.Ю. Гидротермальный синтез кристаллов в хлоридных системах. М.: Наука, 1975, 224 с.

Изобретение предназначено для электроники и может быть использовано при получении полупроводниковых и люминесцентных элементов с высокой оптической прозрачностью. В камеру помещают затравку алмаза и катализатор в виде, по крайней мере, одной водорастворимой соли, придающей среде щелочной характер. В качестве соли можно использовать NaCl, KCl, MgCl₂, CaCl₂, MnCl₂, FeCl₃, CrCl₃, TiCl₃, NH₄Cl или К₂СО₃. Затем камеру частично заполняют водой, герметизируют, напускают окись углерода до давления 1-150 атм и нагревают до 180-450°С. Синтез проводят до полного растворения окиси углерода. В область камеры с более высокой температурой можно дополнительно поместить мелкодисперсный углерод и напустить двуокись углерода. В этом случае затравку алмаза помещают в область камеры с меньшей температурой. В водную среду можно дополнительно ввести химические вещества, в состав которых входят легирующие алмаз примеси. Изобретение позволяет получить алмаз, кристаллическая решетка которого не содержит примесей графита и водорода, простым способом, уменьшить энергетические затраты. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ синтеза алмаза, включающий помещение затравки алмаза и катализатора в камеру, напуск в нее окиси углерода и нагрев, отличающийся тем, что перед напуском газа камеру частично наполняют водой, катализатором, придающим среде щелочной характер, служит, по крайней мере, одна водорастворимая соль, при этом напуск окиси углерода осуществляют до давления 1÷150 атм., а нагрев камеры производят до температуры из интервала 180÷450°С.2. Способ синтеза алмаза по п.1, отличающийся тем, что дополнительно в камеру помещают мелкодисперсный углерод и напускают двуокись углерода, при этом нагрев камеры производят с градиентом температуры, обеспечивающим конвективное движение водной среды, при котором область камеры с алмазной затравкой имеет меньшую температуру, а область камеры с мелкодисперсный углеродом - более высокую температуру.3. Способ синтеза алмаза по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что катализатор выбирают из группы хлоридов: NaCl, KCl, MgCl₂, CaCl₂, MnCl₂, FeCl₃, СrСl₃, TiCl₃, NH₄Cl и карбоната К₂СО₃.4. Способ синтеза алмаза по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в водную среду дополнительно вводят химические вещества, в состав которых входят легирующие алмаз примеси.