СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ АЛМАЗОВ Российский патент 2023 года по МПК C23C16/27 C23C16/513 C01B32/26 C30B25/10 C30B25/20 C30B30/02 C30B30/04 

Предлагаемое изобретение относится к синтезу алмазов из газовой среды, которые могут быть использованы в химической, станкоинструментальной, горнодобывающей, оптико-электронной, ювелирной и других областях промышленности.

Из уровня техники широко известны способы получения искусственных алмазов.

Так, например, метод химического напыления (CVD) позволяет получать алмазные монокристаллы до 10 карат без необходимости использования высокого давления. При невысоком давлении (примерно 0,1 атм) подложка монокристалла помещается в специальную колбу реактора, где присутствует водород с небольшим количеством метана (около 1-5%).

Микроволновый генератор 6 кВ (бывают разные) разогревает содержимое до 1000 градусов Цельсия, образуя плазму высокой плотности из водорода и углерода. В результате на поверхности алмаза-затравки получаются новые слои из осажденного углерода. Таким CVD методом можно производить как полностью бесцветные алмазы, так и с коричневым оттенком. Их размеры определяются параметрами подложки.

Больших успехов в развитии метода и производстве установок для выращивания алмазов добилась французская компания PLASSYS. Она создала и усовершенствовала микроволновый плазменный реактор CVD - MW-PACVD. Это позволило облегчить синтез алмазной пленки и драгоценных камней с наименьшими затратами и производить алмазы быстрее и без потери качества.

Используя плазму высокой плотности, реактор позволяет получать алмазные пленки высокой чистоты с высокой скоростью роста. Благодаря оптимизированной микроволновой и плазменной конструкции реактор SSDR150 представляет собой прочное и надежное в работе оборудование, идеально адаптированное к потребностям научно-исследовательских лабораторий. Его легко чистить и менять конфигурацию камер, что делает SSDR150 наиболее пригодным для легирования алмазных пленок.

Алмазы, созданные по CVD-технологии, практически не имеют посторонних примесей, таких как азот или бор, что дает им преимущества даже перед природными алмазами как для промышленного, так и ювелирного применения. Из таких алмазов изготавливают красивые украшения, которые практически не уступают ювелирным изделиям с натуральными бриллиантами, хотя стоят заметно дешевле.

Также существует способ выращивания алмазов осаждением углерода из газовой фазы на нагретую подложку, который может быть рассмотрен в качестве прототипа (см. RU 2006538). Способ состоит в том, что диссоциированную газовую смесь, содержащую углерод и водород, получают при давлении 100 - 300 мм рт. ст. и затем смесь подают в вакуумную камеру с давлением в ней 10^-6-10^-9 мм рт. ст., формируя узконаправленный газовый факел в направлении поверхности закрепленной подложки, предварительно отожженной в вакууме в результате использования ее в качестве нагревателя.

Недостатком прототипа является невысокая эффективность и сложность технологического процесса осаждения алмаза на подложке.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании эффективного способа выращивания алмазов.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышение эффективности процесса синтеза алмазов за счет магнитной сепарации ионов и электростатического осаждения посредством скрещенных магнитного и электрического полей.

Технический результат достигается за счет того, что предлагаемый способ выращивания алмазов заключается в осаждении углерода из газо-плазменной фазы на кристалл затравки и содержит операции прогрева реактора синтеза, создания в реакторе синтеза вакуума с давлением 10^-6 - 10^-9 мм рт. ст., подачи в реактор синтеза смеси газов, содержащей углерод, водород или их соединения, причем подачу осуществляют плазмотроном посредством формирования узконаправленного газового факела. Новым, согласно предлагаемому изобретению является то, что до подачи смеси газов в реакторе синтеза посредством источника постоянного тока высокого напряжения формируют вертикально направленное электрическое поле и перпендикулярное ему магнитное поле посредством постоянных магнитов, кристалл затравки размещают в электрическом поле и подключают к положительному выводу источника постоянного тока высокого напряжения, подачу смеси газов осуществляют перпендикулярно магнитному и электрическому полям в место их пересечения, причем для формирования смеси газов углекислый газ пропускают через 25% раствор аммиака в спирте.

Повышение эффективности выращивания алмазов достигается, во-первых, за счет создания магнитного поля, которое тормозит поток ионов и препятствует пролету ионов мимо мишени - кристалла затравки, чем достигается нужная концентрация ионов, и, во-вторых, за счет создания электрического (статического) поля высокого напряжения, которое точно доставляет ионы углерода (С⁺) в точку роста кристалла, так как он расположен в точке максимума напряженности поля.

Дополнительные операции по отключению плазмотрона и источника постоянного тока высокого напряжения при достижении в реакторе синтеза атмосферного давления и по отсосу из реактора синтеза непрореагировавшей горячей газовой смеси и прогонки её через воду позволяют минимизировать (компенсировать) затраты, обеспечивая получение ценного удобрения - мочевины.

Далее предлагаемое изобретение будет раскрыто более подробно.

В основе предлагаемого способа получения алмазов из газо-плазменной фазы лежат магнитная сепарация ионов и электростатическое осаждение на кристалл затравки с использованием свойств скрещенных магнитного и электрического полей.

Предлагаемый способ может быть реализован на установке, собранной из комплекса частей и аппаратов, используемых в настоящее время промышленностью.

Так, например, такая установка может включать реактор синтеза, который представляет из себя цилиндр из немагнитной нержавеющей коррозионно стойкой стали (например, из сталей марок 08Х18Н10Т, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т или их зарубежных аналогов 300-ой серии AISI 304/321/316). Оптимальный объемом цилиндра может составлять 5 литров. Цилиндр размещается вертикально. В нижней части, вблизи дна цилиндра, вварен штуцер вывода, к которому присоединяется пластинчатый вакуумный насос и молекулярный насос сверхнизкого давления (как последняя ступень высоковакуумного насоса). В центре нижнего основания цилиндра укреплена пирамидка из шамотной керамики (оптимальная высота 7 см), с уложенным внутри элементом электронагревателя, с керамической заделкой выводов и графитовым стержнем по вертикальной оси пирамиды.

На графитовом стержне укреплен кристалл затравки, например, технический алмаз в виде куба со стороной 1 мм.

К графитному стержню крепится положительный вывод источника постоянного тока высокого напряжения.

В качестве источника постоянного тока высокого напряжения (оптимально 4 КВ) может быть использован, например, трансформатор, запитанный от источника промышленного напряжения питающей сети 220В/1А, связанный с двухполупериодным выпрямителем.

В верхней части цилиндра на керамическом изоляторе укреплен вольфрамовый диск диаметром 30 мм, к которому подключен отрицательный полюс источника постоянного тока высокого напряжения.

На наружной боковой поверхности цилиндра, противоположно друг другу (на оси, перпендикулярной оси, проведенной через центры оснований цилиндра), на равном расстоянии от оснований цилиндра размещены неодимовые магниты с силой сцепления не менее 80 кГс, создающие постоянное магнитное поле, поперечное по отношению к электрическому полю источника постоянного тока высокого напряжения. Таким образом используются скрещенные магнитное и электрическое поля.

Перпендикулярно осевым линиям пересечения магнитного и электрического полей в средней части цилиндра установлена форсунка плазмотрона, с диаметром сопла, дающим наименее узкий факел, например, промышленного плазмотрона с диаметром сопла 0,8 мм, шириной плазменного факела 1,2 мм, и длинной плазменного факела 8 мм.

В верхней части цилиндра предусмотрены датчик давления газов, клапан аварийного сброса давления и термометр с пределом измерения не менее 800°С. Весь цилиндр с наружной части покрывается слоем утеплителя. В качестве утеплителя может быть использована асбестовая вата, базальтовая вата или любой аналогичный материал.

Вводы электропитания герметизированы керамикой и высокотемпературным термостойким герметиком.

Способ реализуется следующим образом.

Работа установки начинается с подачи питающего напряжения на нагреватель пирамидки с установленным кристаллом затравки. После прогрева реактора синтеза установки до 600°С питание снимается и включаются вакуумные насосы - вначале пластинчатый, а затем и молекулярный высокого вакуума. После достижения необходимого значения вакуума 10^-6 - 10^-9 мм рт. ст. подается напряжение питания на источник постоянного тока высокого напряжения и включается плазмотрон. Плазмообразователем служит углекислый газ, подаваемый через редуктор из баллона, пропущенный через 25% раствор аммиака в спирте, то есть смесь СО₂ и NH₃. Смесь ионов из плазмотрона тормозится магнитным полем постоянных магнитов, и за счет силы Лоренца удерживается, образуя плазменное облако, частично отдавая тепло, при этом начинается сепарация ионов электрическим полем постоянного тока, при этом на кристалле затравки происходит восстановление ионов углерода по формуле: С⁺⁴ + 4^(-е) = С⁰ и наращивание слоев кристалла.

За счет эжекции ионного потока в камеру с вакуумом возникает резкое падение давления, и как следствие адиабатного расширения падает температура и давление - образуются условия «точки росы».

За счет торможения потока ионов магнитным полем (сила Лоренца) отсутствует пролет ионов мимо мишени - кристалла затравки, чем достигается нужная концентрация ионов.

Статическое поле высокого напряжения точно доставляет ионы С⁺ в точку роста кристалла, так как она является точкой максимума напряженности поля.

При достижении в камере атмосферного давления плазмотрон и источник постоянного тока высокого напряжения выключается, и вакуумный насос прогоняет непрореагировавшую горячую газовую смесь через воду. При этом, по реакции Вёлера, образуется ценное удобрение - мочевина.

После откачки реактора до низкого давления цикл может быть неоднократно повторен для достижения необходимых размеров кристалла.

Таким образом, предложен эффективный способ выращивания алмазов, основанный на принципе ионной сепарации плазменного потока в скрещенных магнитном и электрическом полях высокого напряжения и статическом осаждении ионов углерода на кристалл, что обеспечивает оптимальные условия синтеза кристаллов.

Изобретение может быть использовано в химической, станкоинструментальной, горнодобывающей, оптико-электронной и ювелирной промышленности. Сначала цилиндрический вертикальный реактор синтеза прогревают и создают в нём вакуум 10^-6-10^-9 мм рт. ст. На графитовом стержне в центре нижнего основания реактора синтеза закрепляют подложку - кристалл затравки из технического алмаза. Затем в реакторе синтеза формируют вертикально направленное электрическое поле путём крепления к графитовому стержню положительного вывода источника постоянного тока, обеспечивающего напряжение 4 кВ, отрицательный полюс которого подключают к вольфрамовому диску, расположенному в верхней части реактора синтеза. Перпендикулярно вертикально направленному электрическому полю формируют магнитное поле посредством постоянных неодимовых магнитов с силой сцепления не менее 80 кГс, размещённых на боковой поверхности реактора синтеза на равном расстоянии от его оснований. Формируют смесь газов, пропуская углекислый газ через 25%-ный раствор аммиака в спирте. Осаждение углерода из газоплазменной фазы на подложку проводят посредством плазмотрона путём подачи сформированной смеси газов в реактор синтеза перпендикулярно магнитному и электрическому полям в место их пересечения узконаправленным газовым факелом. При достижении в реакторе синтеза атмосферного давления отключают плазмотрон и источник постоянного тока, отсасывают из реактора синтеза непрореагировавшую горячую смесь газов и прогоняют её через воду для получения ценного удобрения - мочевины. Технический результат - повышение эффективности способа выращивания алмазов за счёт исключения пролёта ионов углерода мимо кристалла затравки. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ выращивания алмазов, заключающийся в осаждении углерода из газоплазменной фазы на подложку, включающий прогрев реактора синтеза, создание в нём вакуума 10^-6-10^-9 мм рт. ст., подачу смеси газов в реактор синтеза посредством формирования узконаправленного газового факела, отличающийся тем, что в качестве подложки используют кристалл затравки из технического алмаза, закреплённый на графитовом стержне в центре нижнего основания цилиндрического вертикального реактора синтеза, до подачи смеси газов в реакторе синтеза формируют вертикально направленное электрическое поле путём крепления к графитовому стержню положительного вывода источника постоянного тока, обеспечивающего напряжение 4 кВ, отрицательный полюс которого подключают к вольфрамовому диску, расположенному в верхней части реактора синтеза, перпендикулярно вертикально направленному электрическому полю формируют магнитное поле посредством постоянных неодимовых магнитов с силой сцепления не менее 80 кГс, размещённых на боковой поверхности реактора синтеза на равном расстоянии от его оснований, смесь газов формируют, пропуская углекислый газ через 25%-ный раствор аммиака в спирте, и подают её посредством плазмотрона перпендикулярно магнитному и электрическому полям в место их пересечения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при достижении в реакторе синтеза атмосферного давления отключают плазмотрон и источник постоянного тока, отсасывают из реактора синтеза непрореагировавшую горячую смесь газов и прогоняют её через воду.