СВЕРХПРОЧНЫЕ МОНОКРИСТАЛЛЫ CVD-АЛМАЗА И ИХ ТРЕХМЕРНЫЙ РОСТ Российский патент 2010 года по МПК C30B25/00 C30B33/02 C30B29/04 A44C17/00 A61B17/32 G02B1/02 

Настоящее изобретение испрашивает приоритет предварительной заявки на выдачу патента №60/608516, поданной 10 сентября 2004, которая тем самым включена в данное описание в виде ссылки в полном объеме.

Подтверждение государственного права

Настоящее изобретение осуществлено при поддержке правительства США по гранту c номером EAR-0135626 от Национального Научного Фонда и инвентарным номером DE-FC03-03NA00144 от Министерства Энергетики США. Правительство США имеет определенные права на данное изобретение.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к отожженному монокристаллу CVD-алмаза (химически осажденного из газовой фазы алмаза), имеющему чрезвычайно высокую прочность. Изобретение также относится к способу получения трехмерного монокристалла CVD-алмаза на подложке из монокристалла алмаза с использованием индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы (MPCVD) в камере осаждения.

Описание предшествующего уровня техники

Массовое производство синтетического алмаза долгое время было целью как научных исследований, так и промышленного производства. Алмаз, кроме своих качеств драгоценного камня, является самым твердым известным веществом, обладает самой высокой известной теплопроводностью и прозрачен в широком спектре электромагнитного излучения. Монокристаллический алмаз, в частности, обладает широким диапазоном важных свойств, включая низкий коэффициент теплового расширения, самую высокую известную теплопроводность, химическую инертность, износостойкость, малый коэффициент трения и оптическую прозрачность от ультрафиолетовой (УФ) области до дальней инфракрасной (ИК) области. Поэтому алмаз высоко ценится вследствие его широкого круга применений в ряде отраслей промышленности и научных исследований, 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 Б.В. Спицыным (B.V.Spitsyn) с соавт. в «Vapor Growth of Diamond on Diamond and Other Surfaces», Journal of Crystal Growth, vol.52, pp.219-226, способ включает в себя CVD (химическое осаждение из газовой фазы) алмаза на подложке с использованием комбинации метана или другого простого углеводородного газа и газа водорода при пониженных давлениях и температурах 800-1200°C. Использование в смеси 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/ч.

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

Недавно сообщалось о способах улучшения скоростей роста монокристаллов алмазов (SC-CVD), полученных химическим осаждением из газовой фазы, и эти указанные способы открыли новые возможности для применения алмаза в качестве драгоценных камней, в оптике и электронике.

Патент США №6858078 Хемли (Hemley) с соавт. относится к устройству и технологии получения алмазов. Раскрытое в патенте устройство и технология могут привести к получению алмазов, окраска которых изменяется от светло-коричневой до бесцветной.

Заявка на выдачу патента США №10/889171 относится к отжигу монокристаллов алмазов, полученных химическим осаждением из газовой фазы. Важные особенности изобретения включают в себя нагревание CVD-алмаза до установленной температуры, по меньшей мере, 1500°C при давлении, по меньшей мере, 4,0 ГПа, которые находятся за пределами области устойчивости алмазной модификации.

Заявка на выдачу патента США №10/889170 относится к алмазам с улучшенной твердостью. В заявке приведены данные о монокристалле алмаза с твердостью более чем 120 ГПа.

Заявка на выдачу патента США №10/889169 относится к алмазам с улучшенной прочностью. В заявке приведены данные о монокристалле алмаза с трещиностойкостью 11-20 МПа м^1/2 и твердостью 50-90 ГПа.

В упомянутых выше сообщениях не сообщается о монокристалле алмаза, имеющем прочность более чем 20 МПа м^1/2. И при этом в них не раскрывают способы получения монокристалла алмаза, растущего в трех направлениях на подложке из монокристалла алмаза.

Сущность изобретения

Таким образом, настоящее изобретение направлено на монокристалл алмаза и способ получения такого алмаза, который в значительной степени устраняет одну или несколько проблем, обусловленных ограничениями и недостатками предшествующего уровня техники.

Задачей настоящего изобретения является сверхпрочный алмаз и способ получения такого алмаза в установке для индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы. Другая задача настоящего изобретения состоит в способе получения монокристалла алмаза, растущего в трех направлениях, на подложке из монокристалла алмаза.

Дополнительные особенности и преимущества изобретения будут указаны в приведенном ниже описании и частично будут понятны из описания или могут быть изучены при практическом осуществлении изобретения. Указанные задачи и другие преимущества настоящего изобретения будут конкретизированы и достигнуты с помощью установки, в частности, указанной в описании и в формуле изобретения, а также прилагаемых чертежей.

Для достижения указанных и других преимуществ и в соответствии с задачей настоящего изобретения, которое осуществлено и подробно описано, вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя монокристалл алмаза, выращенный с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы, который при этом обладает прочностью по меньшей мере примерно 30 МПа м^1/2.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения способ выращивания сверхпрочного монокристалла алмаза включает в себя

i) размещение кристаллического зародыша алмаза в теплопоглощающем держателе, сделанном из вещества, обладающего высокой точкой плавления и высокой теплопроводностью, чтобы минимизировать температурные градиенты в направлении от края до края поверхности роста алмаза;

ii) управление температурой поверхности роста алмаза так, чтобы температура растущих кристаллов алмаза находилась в диапазоне примерно 1050-1200°C; и

iii) выращивание монокристалла алмаза с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы на поверхность роста алмаза в камере осаждения, в которой атмосфера характеризуется соотношением азота к метану примерно 4% N₂/CH₄,

iv) проведение отжига монокристалла алмаза таким образом, что отожженный монокристалл алмаза имеет прочность, по меньшей мере, примерно 30 МПа м^1/2.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к способу получения монокристалла CVD-алмаза, растущего в трех направлениях, на монокристаллической алмазной подложке, включающему в себя

i) выращивание монокристалла на первой (100) грани монокристаллической алмазной подложки;

ii) изменение положения монокристаллической алмазной подложки с выращенным на ней монокристаллом алмаза и

iii) выращивание монокристалла на второй (100) грани монокристаллической алмазной подложки.

Следует понимать, что как 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 понимания изобретения и которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

На фиг.1 приведены фотографии CVD- и aCVD-алмазов, выращенных при различных условиях.

На фиг.2 показаны отпечатки индентора для различных CVD- и aCVD-алмазов.

На фиг.3 приведены спектры фотолюминесценции различных CVD-и aCVD-алмазов.

На фиг.4 показаны данные, относящиеся к инфракрасному поглощению (FTIR) различных CVD- и aCVD-алмазов.

Подробное описание предпочтительных вариантов

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

CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристалл алмаза, относящийся к данной заявке, был выращен с использованием устройства, описанного в заявке на выдачу патента США под номером 10/288499, поданной 6 ноября 2002, в настоящее время являющейся патентом США №6858078 под названием «Apparatus and Method for Diamond Production», которая включена в данное описание в виде ссылки.

В одном варианте осуществления изобретения получен монокристалл алмаза, выращенный с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы, который обладает прочностью, по меньшей мере, примерно 30 МПа м^1/2. В другом варианте осуществления прочность монокристалла алмаза составляет, по меньшей мере, примерно 35 МПа м^1/2. В другом варианте осуществления прочность монокристалла алмаза составляет, по меньшей мере, примерно 40 МПа м^1/2.

Алмазы в этих вариантах осуществления изобретения подвергались отжигу, например, при температурах от примерно 2000°C до примерно 2700°C в течение примерно 10 минут, используя устройство типа белт. Отжиг приводил к резкому увеличению твердости алмазов. В другом варианте осуществления твердость составляет от примерно 100 до примерно 160 ГПа.

Твердость в упомянутых выше вариантах осуществления изобретения определялась согласно уравнению H_v=1,854×P/D², где P - максимальный груз, используемый в инденторе для образования углубления в монокристалле алмаза, D означает протяженность самой длинной трещины, образовавшейся под воздействием индентора в монокристалле алмаза.

Прочность, или трещиностойкость, K_c монокристалла алмаза в упомянутых выше вариантах осуществления изобретения определялась согласно уравнению K_c=(0,0160±0,004) (E/H_V)^1/2 (Р/C^3/2), где E означает модуль Юнга алмаза и C означает среднюю длину радиальных трещин в монокристалле алмаза.

Другой вариант осуществления включает способ выращивания сверхпрочного монокристалла алмаза, включающий в себя

i) размещение кристаллического зародыша алмаза в теплопоглощающем держателе, сделанном из вещества, обладающего высокой точкой плавления и высокой теплопроводностью, чтобы минимизировать температурные градиенты в направлении от края до края поверхности роста алмаза;

ii) управление температурой поверхности роста алмаза так, чтобы температура растущих кристаллов алмаза находилась в диапазоне примерно 1050-1200°C; и

iii) выращивание монокристалла алмаза с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы на поверхности роста алмаза в камере осаждения, в которой атмосфера характеризуется соотношением азота к метану примерно 4% N₂/CH₄,

iv) проведение отжига монокристалла алмаза таким образом, что отожженный монокристалл алмаза имеет прочность, по меньшей мере, примерно 30 МПа м^1/2.

В другом варианте осуществления, упомянутый выше способ дополнительно включает в себя отжиг монокристалла алмаза при давлениях свыше от примерно 5 до примерно 7 ГПа и температурах от примерно 2000°С до примерно 2700°С так, что твердость составляет от примерно 100 до примерно 160 ГПа. В еще одном варианте осуществления монокристалл алмаза до отжига был по существу бесцветным.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к способу получения монокристалла CVD-алмаза, растущего в трех направлениях на монокристаллической алмазной подложке, включающему в себя

i) выращивание монокристалла на первой (100) грани монокристаллической алмазной подложки;

ii) изменение положения монокристаллической алмазной подложки с выращенным на ней монокристаллом алмаза и

iii) выращивание монокристалла на второй (100) грани монокристаллической алмазной подложки.

В другом варианте осуществления для получения монокристалла CVD-алмаза, растущего в трех направлениях,

температура осаждения составляет от примерно 1150°С до примерно 1250°С.

В другом варианте осуществления трехмерный полученный алмаз обладает размером, большим, чем примерно один кубический дюйм.

Индуцированное микроволновой плазмой химическое осаждение из газовой фазы (MPCVD) с использованием Ib-типа синтетических подложек из алмаза при давлениях газа примерно 150 Торр (~1/4 атм) и температурах примерно 1000-1400°С приводило к изменению окраски подложки из алмаза от желтой до зеленой. Изменение цвета достигнуто с помощью размещения Ib-алмаза на держателе подложки, имеющего крайне незначительную теплопроводность (например, hBN-порошка или Мо-проволоки для закрепления подложки). Изменение цвета оказалось подобно изменению цвета, отмеченному для природного алмаза при НРНТ-отжиге. См. I.М.Reinitz с соавт., Gems & Gemology (2000) 36, 128. С другой стороны, CVD-алмаз не подвергался очевидным изменениям цвета и превращался в графит при температурах более чем 1800°С при том же самом способе обработки. Поэтому представляло интерес проводить отжиг CVD-алмаза при более высокой температуре - свыше 2000°С - с помощью методов высоких давлений/высоких температур (НРНТ).

Условия CVD-выращивания

Монокристаллы алмазов синтезировали с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы (CVD) при 8-20% СН₄/H₂, 0,2-3% N₂/CH₄, 160-220 Торр при различных температурах. Алмазы, показанные на фиг.1, выращены при следующих температурах: (а) 1300°С; (b) 1250°С; (с) 1400°С; (d) 1200°C; (е) 1050°С. Алмаз (f) являлся подложкой из алмаза Ib-типа (4×4×1,5 мм³). Все подложки являлись Ib-типом синтетических желтых НРНТ-алмазов с гранями (100) на верхней поверхности и на боковых сторонах. Морфология и окраска CVD-алмазов непосредственно после выращивания в значительной степени зависит от температуры осаждения. Неправильные формы граней с коричневыми, более темными ступеньками из оплавленных поверхностей связаны с более высокой температурой (примерно 1300-1400°С) [фиг.1(a, b, c)]. Гладкие бесцветные CVD-алмазы, увеличившиеся вдоль трех направлений, получали при более низких температурах осаждения [примерно 1050-1200°С, фиг.1(с, d)]. При температурах свыше примерно 1500°С начинают формироваться черные слои. Ниже примерно 900°С происходит осаждение черного микрокристаллического вещества.

В наибольшей степени примерно двойное увеличение выявлено для верхней поверхности роста образца относительно подложки [фиг.1(d)], тогда как геометрическая форма образца на фиг.1(а) осталась подобной. Это сделанное наблюдение свидетельствует, что размер бесцветного CVD-алмаза с добавками азота может быть увеличен вдоль трех направлений (100) при температурах осаждения примерно 1200°С. Такое трехмерное увеличение структуры при примерно 1200°С является важным для продолжительного выращивания с целью получения CVD-алмаза ювелирного качества с намного большими боковыми размерами, чем у подложек. При таких условиях CVD-алмаз ювелирного качества может быть выращен отдельно и последовательно вдоль 6 (100) граней подложки. С помощью указанного способа является достижимым получение монокристалла алмаза (~300 каратов) в форме куба с размером один дюйм.

Примеры, основанные на отпечатках индентора после НРНТ-отжига

Другие аспекты изобретения могут быть поняты более отчетливо из следующих примеров.

Различные монокристаллы CVD-алмазов, с окраской от бесцветной до коричневой, были подвергнуты HPHT-отжигу (aCVD); все алмазы были бесцветными после обработки при температурах примерно 2000-2700°C и давлении примерно 5-7 ГПа в течение примерно 10 минут, используя устройство типа белт. Перед HPHT-отжигом эти указанные CVD-алмазы обнаружили высокую прочность, а после отжига твердость этих алмазов существенно увеличилась.

Отпечатки индентора на различных алмазах показаны на фиг.2. На фиг.2(a) показан отпечаток индентора на природном IIa-алмазе, который имеет твердость примерно 110 ГПа. На фиг.2(b) показан отпечаток индентора на отожженном IIa-алмазе с твердостью примерно 140 ГПа. На фиг.2(c) показан отпечаток индентора на неотожженном CVD-алмазе с твердостью примерно 60 ГПа. На фиг.2(d) показан отпечаток индентора на отожженном бесцветном сверхпрочном aCVD-алмазе, выращенном в условиях низкого содержания азота, который имеет твердость примерно 160 ГПа. На фиг.2(e) показан отпечаток индентора на сверхпрочном aCVD-алмазе, выращенном в условиях высокого содержания азота, который имеет твердость примерно 160 ГПа. На фиг.2(f) показан отпечаток индентора на бесцветном, сверхпрочном aCVD-алмазе, выращенном в условиях высокого содержания азота, с твердостью от примерно 100 до примерно 160 ГПа. Кругообразные отпечатки индентора, наблюдаемые после отжига в бесцветных алмазах, выращенных при низком соотношении азота/метана (примерно 0,4% N₂/CH₄) и примерно 1200°C (фиг.2(d)), подобны отпечаткам индентора в отожженных природных алмазах типа IIa (фиг.2(b)). Отожженные темно-коричневые алмазы, выращенные с более высоким содержанием азота (примерно 4% N₂/CH₄) и высоких температурах (>примерно 1300°C) (фиг.2(e)), обладают квадратными отпечатками, характеризующими растрескивание; после отжига более темный CVD-кристалл практически не может быть подвергнут индентированию, т.е. кристалл становится сверхпрочным. Заметный отпечаток индентора наблюдали после отжига бесцветного алмаза, выращенного с высоким содержанием азота (фиг.2(f)). Вычисление его прочности дает нижний предел примерно 30 MПa м^1/2. Как используется в данном описании и если не определено иначе, то "сверхпрочные" алмазы означают алмазы с прочностью больше чем примерно 30 MПa м^1/2.

Анализ

На фиг.3 показаны спектр фотолюминесценции (ФЛ) и рамановский спектр, которые были измерены с частотой возбуждения 488 нм. CVD-алмазы показали наличие пика при 575 нм, связанного с очевидным присутствием центров (N-V) в виде атома азота и вакансии в соседнем узле решетки; интенсивность этой полосы была выше для коричневых CVD-алмазов по сравнению с бесцветными. Непосредственно после выращивания коричневый CVD-алмаз, который был отожжен до бесцветного, обладал сильным центром агрегации азота (H3) (см. S.J.Charles et al., (2004) Physica Status Solidi (a): 1-13) при 503 нм и характеризовался уменьшением полосы, связанной с наличием центра N-V. Обращается внимание, что пик H3 наиболее сильный в неиндентируемом (сверхпрочном) алмазе. Отожженный непосредственно после выращивания бесцветный CVD-алмаз обладает центрами и H3 и N-V, но интенсивности этих полос уменьшены на два порядка после отжига, и у алмаза появилась полоса комбинационного рассеяния второго порядка. Центры N-V в отожженных CVD (aCVD) алмазах позволяют предполагать, что обогащенный вакансиями CVD-алмаз трансформируется в более плотные структуры после НРНТ-отжига.

На фиг.4 показано С-Н уширение инфракрасного поглощения в диапазоне 2800-3200 см^-1. Широкую полосу при 2930 см^-1, связанную с присутствием гидрогенизированного аморфного углерода (а-С:Н), наблюдали в коричневом CVD-алмазе. Интенсивность полосы коррелирует с коричневым цветом алмаза и его высокой прочностью. Как показано на фиг.4, пик а-С:Н после отжига трансформируется в различные хорошо разрешимые полосы валентных колебаний связей С-Н при 2830 см^-1 (sp³-дефекты в (111)), 2875 (sp³-CH₃-дефекты) и 2900 см^-1 (sp³-дефекты в (100)), так же как и при 2972, 3032 и 3107 см^-1 (sp²-дефекты) (см. K.M. McNamaara et al. J. Appl. Phys. (1994) 76, 2466-2472). Эти указанные поверхности (111) внутри aCVD-алмаза подразумевают относительно открытую структуру а-С:Н в непосредственно выращенном (100) CVD-алмазе, трансформирующуюся при отжиге в локально более плотную структуру. Например, происходит увеличение внутренних дефектов в плоскости (111) и атомов углерода с sp²-конфигурацией на границе. Такое изменение может внести вклад в отпечаток индентора в форме квадрата для (111) или (110) на фиг.2. Бесцветный CVD-алмаз имеет более низкие интенсивности полос, связанных с а-С:Н, обнаруживая при этом широкую и интенсивную полосу при 2800 см^-1. Эта отмеченная особенность могла быть связана со случайным загрязнением атомами бора (см. Z.Teukam et al., Natural Materials (2003) 2: 482-486), иметь отношение к С-Н колебаниям (см. K.M. McNamaara et al. J. Appl. Phys. (1994) 76, 2466-2472) или к неизвестному центру (все еще остающемуся в стадии исследования). Ионный микрозондовый анализ алмаза показал, что максимальная концентрация N в CVD-алмазе примерно в 75 раз меньше, чем концентрация N в подложке из алмаза Ib-типа.

Авторы считают важным обратить внимание, что оптические методы показали отсутствие границ зерен в aCVD-алмазах. Исследованные aCVD кристаллы не имеют очевидных абсорбционных пиков при 1000-1500 см^-1, связанных с присутствием атомов азота, даже если небольшое количество азота специально добавляют в газ для химического синтеза; таким образом, эти алмазы можно отнести к IIa-типу. Не желая быть связанными соответствием с теорией, авторы полагают, что механизм повышения твердости/прочности и изменения цвета в aCVD-алмазах отличается от предполагаемого механизма в отожженном природном или синтетическом HPHT-алмазе, в которых доминирует азот.

Проверка с использованием скрещенных поляризаторов показала, что этот CVD-алмаз имеет относительно высокое внутреннее напряжение по сравнению с другими алмазами. После HPHT-обработки напряжение может уменьшаться, но в алмазах Ia-, Ib-, IIa-типа такое напряжение после отжига может увеличиться. Не желая быть связанными соответствием с теорией, авторы полагают, что это рассмотренное явление подразумевает, что повышение твердости в отожженном IIa может произойти из-за дислокации, индуцированной напряжениями, хотя дальнейшее исследование этого вопроса представляется необходимым (см. K.Kanda (2003) Diamond Related Matter, 12, 1760-1765).

Дополнительная информация получена из измерений рентгеновской кривой качания, включая составление картограмм кривых качания. Полная ширина на высоте полумаксимума (FWHM) для бесцветного алмаза составляет ~20 арксек (дуговых секунд), для коричневого CVD ~80 арксек и aCVD ~150-300 арксек. Не желая быть связанными соответствием с теорией, авторы полагают, что уширенный профиль FWHM в aCVD-кристалле, вероятно, связан с присутствием a-C:H в CVD, трансформирующихся в более плотные области алмаза, для которых характерно значительное количество мозаичных областей рассеяния.

Установленный в данном исследовании механизм чрезвычайно высокой трещиностойкости может быть связан с небольшим количеством аморфного углерода или дислокациями, которые присутствуют в этих монокристаллах CVD-алмазов. Более плотные sp²- или sp³-гибридизированные нанокристаллы, содержащие чередующиеся примесные атомы азота и водорода на границе нанокристаллического зерна, могут возникнуть во время HPHT-отжига.

Сверхпрочные алмазы согласно изобретению и алмазы, полученные с помощью упомянутых выше способов, будут достаточно большими, прочными, свободными от дефектов и прозрачными для того, чтобы быть использованными в качестве, например, окон в лазере большой мощности или синхротронных применениях, как наковальни в установках высокого давления, как режущие инструменты, как волоки для проволоки, как компоненты для электроники (поглотители тепла, подложки для электронных устройств) или как драгоценные камни. Другие примеры использования или применения упомянутых выше сверхпрочных алмазов и алмазов, полученных с помощью упомянутых выше способов, включают в себя следующее:

a) износостойкое вещество, включая, но не ограничиваясь перечисленным, водные/газожидкостные струйные сопла, бритвы, лезвия скальпеля, микротон, индентор твердости, графические средства, штихели, инструменты, используемые при восстановлении литографских деталей, реактивные обтекатели, опоры, включая те, которые используют в станках с ультравысокой частотой вращения шпинделя, алмазно-биомолекулярных устройствах, микротомах и инденторах твердости;

b) оптические узлы - включая, но не ограничиваясь перечисленным, оптические окна, рефлекторы, рефракторы, линзы, решетки, эталоны, детекторы альфа-частиц и призмы;

c) электроника, включая, но не ограничиваясь перечисленным, микроканальные охлаждающие устройства, высокочистые SC-CVD-алмазы для полупроводниковых компонентов, допированные примесями SC-CVD-алмазы для полупроводниковых компонентов;

d) наковальни в установках высокого давления, включая, но не ограничиваясь перечисленным, торообразные наковальни "Khvostantsev" или "Paris-Edinburgh", которые могут использоваться с многочисленными оптическими, электрическими, магнитными и акустическими датчиками; наковальни Бриджмена (Bridgman), которые являются относительно большими, имеющими варьируемые высоты и включают в себя основные углы [15]; мультинаковальни, ячейки Дрикамера (Drickamer), устройство типа белт, устройство типа поршень-цилиндр; для осуществления предварительного сжатия образцов при проведении лазерных или магнитных исследований ударных волн; бесцветного защитного покрытия для водорода и других применений, устройства для предварительного сжатия образцов для исследований лазерных или магнитных ударов;

e) контейнеры, включая, но не ограничиваясь перечисленным, 6-гранные {100} с металлопокрытием алмазы, которые могут быть связаны друг с другом с образованием контейнера, CVD-алмазное покрытие может дополнительно использоваться для образования вакуумонепроницаемого контейнера;

f) лазерные источники, включая, но не ограничиваясь перечисленным, отожженный SC-CVD-алмаз для формирования стабильного H3-центра (агрегатов азота, N-V-центра, Si-центра или других допантов);

g) сверхпроводник и проводящий алмаз, включая, но не ограничиваясь перечисленным, HPHT-отжиг для SC-CVD-алмаза, выращенного с примесями, такими как H, Li, Na, N, Mg, или элементом с другим низким атомным весом с размером, приближающимся к размеру углерода;

h) подложка для выращивания другого CVD-алмаза, используя CVD-пластины в качестве подложки для CVD-выращивания, имеет преимущество перед природными подложками или HPT-подложками из-за большего размера и прочности (позволяющей избежать растрескивания во время роста).

Раскрытые в данном описании сверхпрочные алмазы особенно полезны для применений, включая, но не ограничиваясь перечисленным, как водные/газожидкостные струйные сопла, бритвы, лезвия скальпеля, микротон, индентор твердости, графические средства, штихели, инструменты, используемые при восстановлении литографских деталей, реактивные обтекатели, опоры, включая те, которые используют в станках с особо высокой частотой вращения шпинделя, алмазно-биомолекулярных устройствах, микротомах, инденторах и наковальнях в установках высокого давления.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на наковальни в установках высокого давления, при этом наковальни содержат сверхпрочный монокристалл CVD-алмаза. Наковальни, содержащие сверхпрочный монокристалл CVD-алмаза, могут использоваться при более высоких давлениях, чем наковальни, сделанные из других веществ, таких как карбид вольфрама. Примеры конструирования наковален, которые могут содержать монокристаллы CVD-алмазов, включают в себя наковальни Бриджмена, включая, но не ограничиваясь перечисленным, наковальни Бриджмена, которые являются относительно большими, имеющими варьируемые высоты и включают в себя основные углы, и торообразные наковальни "Paris-Edinburgh", включая, но не ограничиваясь перечисленным, наковальни, рассмотренные в Khvostantsev, L.G., Vereshchagin, L.F., and Novikov, A.P., Device of toroid type for high pressure generation, High Temperatures - High Pressures, 1977, vol.9, pp 637-638.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на сверхпрочный монокристалл CVD-алмаза, на который лазером нанесены идентификационные метки (например, название, дата, номер), и способ получения такого алмаза. Идентификационные метки могут быть нанесены лазером на алмазную подложку перед инициацией CVD-способа получения монокристалла алмаза. Метки переносят на монокристалл алмаза в результате этого способа.

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.

Изобретение относится к технологии получения сверхпрочного монокристалла алмаза, выращенного с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы. Способ включает размещение кристаллического зародыша алмаза в теплопоглощающем держателе, сделанном из вещества, обладающего высокой точкой плавления и высокой теплопроводностью, чтобы минимизировать температурные градиенты в направлении от края до края поверхности роста алмаза, управление температурой поверхности роста алмаза так, чтобы температура растущих кристаллов алмаза находилась в диапазоне примерно 1050-1200°С, выращивание монокристалла алмаза с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы на поверхности роста алмаза в камере осаждения, в которой атмосфера характеризуется соотношением азота к метану примерно 4% N₂/CH₄, и проведение отжига монокристалла алмаза таким образом, что отожженный монокристалл алмаза имеет прочность, по меньшей мере, примерно 30 МПа м^1/2. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Монокристалл алмаза, выращенный с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы, который имеет прочность, по меньшей мере, примерно 30 МПа м^1/2.

2. Монокристалл алмаза по п.1, прочность которого равна, по меньшей мере, примерно 35 МПа м^1/2.

3. Монокристалл алмаза по п.2, прочность которого равна, по меньшей мере, примерно 40 МПа м^1/2.

4. Монокристалл алмаза по п.1, твердость которого изменяется от примерно 100 до примерно 160 ГПа.

5. Монокристалл алмаза по п.1, отличающийся тем, что монокристалл алмаза использован в качестве сопла.

6. Монокристалл алмаза по п.5, отличающийся тем, что сопло используется в устройстве для водоструйной резки под высоким давлением.

7. Монокристалл алмаза по п.1, отличающийся тем, что монокристалл алмаза использован в режущем лезвии для хирургического инструмента, включающем режущую кромку, в котором режущая кромка выполнена из монокристалла алмаза.

8. Монокристалл алмаза по п.1, отличающийся тем, что монокристалл алмаза использован в бритве, включающей режущую кромку, в которой режущая кромка выполнена из монокристалла алмаза.

9. Монокристалл алмаза по п.1, отличающийся тем, что монокристалл алмаза использован в волоке для проволоки.

10. Монокристалл алмаза по п.1, отличающийся тем, что монокристалл алмаза использован в качестве опоры.

11. Монокристалл алмаза по п.1, отличающийся тем, что монокристалл алмаза использован в качестве алмазной наковальни.

12. Монокристалл алмаза по п.1, отличающийся тем, что монокристалл алмаза использован в качестве драгоценного камня.

13. Монокристалл алмаза по п.1, отличающийся тем, что монокристалл алмаза использован в оптическом узле.

14. Способ выращивания сверхпрочного монокристалла алмаза, включающий в себя
i) размещение кристаллического зародыша алмаза в теплопоглощающем держателе, сделанном из вещества, обладающего высокой точкой плавления и высокой теплопроводностью, чтобы минимизировать температурные градиенты в направлении от края до края поверхности роста алмаза;
ii) управление температурой поверхности роста алмаза так, чтобы температура растущих кристаллов алмаза находилась в диапазоне примерно 1050-1200°С; и
iii) выращивание монокристалла алмаза с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы на поверхности роста алмаза в камере осаждения, в которой атмосфера характеризуется соотношением азота к метану примерно 4% N₂/CH₄,
iv) проведение отжига монокристалла алмаза таким образом, что отожженный монокристалл алмаза имеет прочность, по меньшей мере, примерно 30 МПа м^1/2.

15. Способ по п.14, в котором стадия iv) включает отжиг монокристалла алмаза при давлениях свыше от примерно 5 до примерно 7 ГПа и температурах от примерно 2000°С до примерно 2700°С так, что твердость составляет от примерно 100 до примерно 160 ГПа.

16. Способ по п.14, в котором монокристалл алмаза до отжига, по существу, бесцветен.

17. Способ получения монокристалла CVD-алмаза, растущего в трех направлениях, на монокристаллической алмазной подложке, включающий в себя
i) выращивание монокристалла на первой (100) грани монокристаллической алмазной подложки;
ii) изменение положения монокристаллической алмазной подложки с выросшим на ней монокристаллом алмаза и
iii) выращивание монокристалла на второй (100) грани монокристаллической алмазной подложки,
при этом температура осаждения составляет от примерно 1150°С до примерно 1250°С.

18. Способ по п.17, в котором полученный трехмерный алмаз обладает размером большим, чем примерно один кубический дюйм.

19. Способ по п.17, в котором полученный монокристалл алмаза используют в качестве сопла.

20. Способ по п.17, в котором полученный монокристалл алмаза используют в качестве режущей кромки режущего лезвия для хирургического инструмента.

21. Способ по п.17, в котором полученный монокристалл алмаза используют в качестве режущей кромки бритвы.

22. Способ по п.17, в котором полученный монокристалл алмаза используют в волоке для проволоки.

23. Способ по п.17, в котором полученный монокристалл алмаза используют в качестве опоры.

24. Способ по п.17, в котором полученный монокристалл алмаза используют в качестве алмазной наковальни.

25. Способ по п.17, в котором полученный монокристалл алмаза используют в качестве драгоценного камня.

26. Способ по п.17, в котором полученный монокристалл алмаза используют в оптическом узле.