CN111247275B - 合成单晶金刚石、工具以及合成单晶金刚石的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种合成单晶金刚石，该合成单晶金刚石包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子。氮原子不包括孤立置换型氮原子。

Description

合成单晶金刚石、工具以及合成单晶金刚石的制造方法

技术领域

本公开涉及一种合成单晶金刚石、一种工具以及一种合成单晶金刚石的制造方法。本申请要求在2017年10月20日提交的日本专利申请No.2017-203413的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

因为单晶金刚石具有高硬度，所以单晶金刚石已经广泛用于诸如切削工具、磨削工具和耐磨工具之类的工具中。工具中使用的单晶金刚石包括天然金刚石和合成金刚石。

大部分天然金刚石(Ia型金刚石)包含作为杂质的聚集型氮原子。当金刚石用于工具中时，金刚石晶体中的聚集型氮原子可以抑制塑性变形和/或裂纹的发展。因此，天然金刚石具有高机械强度。然而，因为天然金刚石的品质变化很大，并且天然金刚石的供应不稳定，所以在工业领域中使用天然金刚石存在很大的风险。

与之相比，合成金刚石的品质恒定，并且可以稳定地供应，因此在工业领域中被广泛应用。

通常，合成金刚石(Ib型金刚石)包含作为杂质的孤立置换型氮原子。已知金刚石的机械性能将随着金刚石晶体中的孤立置换型氮原子的浓度的增加而劣化。因此，当Ib型合成金刚石用于工具中时，工具的切削刃可能磨损或缺损。

此外，一些合成金刚石(IIa型金刚石)几乎不包含氮杂质。因为IIa型合成金刚石不包含可抑制裂纹的进展的杂质或晶体缺陷，所以当IIa型合成金刚石用于工具中时，工具的切削刃可能缺损。

因此，已经对用于改善合成金刚石的耐磨性和耐缺损性的技术进行了研究。

例如，专利文献1(日本专利待审查公开No.2015-134718)公开了一种通过用电子束或中子束照射Ib型合成金刚石材料以在金刚石材料中形成孤立空位缺陷并且随后使金刚石材料退火，从而改善金刚石的韧性和耐磨性的技术。

此外，非专利文献1(A T Collins,Vacancy enhanced aggregation of nitrogenin diamond，Journal of Physics C:Solid State Physics，the Institute of Physics，UK，1980，No.13，p 2641-50)公开了这样一种技术，其中在用电子束照射Ib型合成金刚石材料后，进行热处理以将晶体中的孤立置换型氮原子转化为聚集型氮原子。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利待审查公开No.2015-134718

非专利文献

非专利文献1：A T Collins,Vacancy enhanced aggregation of nitrogen indiamond，Journal of Physics C:Solid State Physics，the Institute of Physics，UK，1980，No.13，p 2641-50

发明内容

根据本公开的一个方面的合成单晶金刚石包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子，并且氮原子不包括任何孤立置换型氮原子。

根据本公开的另一方面的合成单晶金刚石包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子，并且在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，在1130±2cm^-1的波数范围内不存在衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰。

根据本公开的一个方面的工具包含上述合成单晶金刚石。

根据本公开的一个方面的制造合成单晶金刚石的方法包括：通过使用溶媒金属的温差法获得包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子的金刚石单晶；用电子束和粒子束这两者中的一者或两者照射金刚石单晶，以对金刚石单晶施加100MGy以上1000MGy以下的能量；以及在常压下，在1700℃以上1800℃以下的温度对经照射的金刚石单晶进行退火。

附图说明

图1为示出了合成单晶金刚石的红外吸收光谱的图；并且

图2为示意性地示出了根据本公开的一个方面的用于制造合成单晶金刚石的试样室的示例性结构的截面图。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

专利文献1和非专利文献1这两者都涉及将Ib型合成金刚石中的孤立置换型氮原子转化为聚集型氮原子的技术，但转化率不足，这使得获得的合成金刚石的硬度和耐缺损性不足。

因此，本公开的目的是提供一种具有高硬度和优异的耐缺损性的合成单晶金刚石、包含合成单晶金刚石的工具以及制造合成单晶金刚石的方法。

[本公开的有利效果]

根据上述方面，提供了一种具有高硬度和优异的耐缺损性的合成单晶金刚石、包含合成单晶金刚石的工具以及制造合成单晶金刚石的方法。

[各方面的描述]

首先，将对本公开的各方面进行描述。

(1)根据本公开的一个方面的合成单晶金刚石包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子，并且氮原子不包括任何孤立置换型氮原子。

(2)根据本公开的另一方面的合成单晶金刚石包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子，并且在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，在1130±2cm^-1的波数范围内不存在衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰。

因为根据方面(1)或(2)的合成单晶金刚石不包含任何孤立置换型氮原子，所以其具有高硬度和优异的耐缺损性。

(3)在以100N/min的负荷速度将尖端半径为50μm的球形金刚石压头压在合成单晶金刚石的表面上的破坏强度试验中，合成单晶金刚石的开裂负荷优选为12N以上。当开裂负荷为12N以上时，合成单晶金刚石具有优异的破坏强度和耐缺损性，并且当将合成单晶金刚石用作切削工具中的材料时，该切削工具可以切削任何难以切削的硬质材料，而不引起切削刃的缺损。

(4)合成单晶金刚石在{001}面的<100>方向上的努普硬度优选为100GPa以上。当具有该硬度的合成单晶金刚石用作工具中的材料时，工具的耐磨性得以改善。

(5)根据本公开的一个方面的工具包含上述方面(1)至(4)中任一项所述的合成单晶金刚石。因此，该工具具有高硬度和优异的耐缺损性。

(6)根据本公开的一个方面的制造合成单晶金刚石的方法包括：通过使用溶媒金属的温差法获得包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子的金刚石单晶；用电子束和粒子束这两者中的一者或两者照射金刚石单晶，以对金刚石单晶施加100MGy以上1000MGy以下的能量；以及在常压下，在1700℃以上1800℃以下的温度对经照射的金刚石单晶进行退火。

根据制造根据本公开的一个方面的合成单晶金刚石的方法，可以获得在上述方面(1)或(2)中所述的合成单晶金刚石。

[本公开的实施方案的细节]

下面将参考附图描述根据本公开的实施方案的合成单晶金刚石、工具以及制造合成单晶金刚石的方法的具体实例。本公开的范围旨在不局限于上述说明，而是由权利要求的范围限定，并且包括与权利要求的含义和范围等同的所有修改。

<合成单晶金刚石>

根据本公开的实施方案的合成单晶金刚石包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子，并且氮原子不包括任何孤立置换型氮原子。

根据本公开的另一实施方案的合成单晶金刚石包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子，并且在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，在1130±2cm^-1的波数范围内不存在衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰。

作为杂质而存在于晶体中的氮原子是决定金刚石的品质的一个主要因素。根据存在的形式，可将单晶金刚石中的氮原子分为孤立置换型氮原子、聚集型氮原子等。在下文中，将描述孤立置换型氮原子和聚集型氮原子。

孤立置换型氮原子是指各自取代金刚石晶体中的碳原子并且作为原子单元存在于碳原子的位置处的那些原子。包含孤立置换型氮原子的金刚石分为Ib型金刚石、IIa型金刚石和IIb型金刚石。孤立置换型氮原子不会显著影响单晶金刚石的晶体结构，因此将不会有助于抑制裂纹扩展。

在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，包含孤立置换型氮原子的合成单晶金刚石在1130cm^-1的波数附近(即1130±2cm^-1)示出了峰。

在包含孤立置换型氮原子的合成单晶金刚石中，氮原子作为不成对电子存在，从而可以通过ESR(电子自旋共振)分析测定孤立置换型氮原子的浓度。除孤立置换型氮原子以外，ESR分析还可以检测包含不成对电子的晶体缺陷的信号。在这种情况下，可以通过孤立置换型氮原子的g值或孤立置换型氮原子的信号弛豫时间而分离并鉴别出孤立置换型氮原子。

聚集型氮原子是指以两个以上氮原子的聚集体存在于金刚石晶体中的那些原子。与孤立置换型氮原子不同，聚集型氮原子可以抑制单晶金刚石中裂纹的扩展。聚集型氮原子可进一步分为以下类别，例如2-氮原子对、4-氮原子聚集体和片晶。

2-氮原子对是两个氮原子共价键合并且取代相应的碳原子的原子对。将包含2-氮原子对的金刚石称为IaA型金刚石。在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，包含2-氮原子对的合成单晶金刚石在1280cm^-1的波数附近(即1280±2cm^-1)示出了峰。

4-氮原子聚集体是四个氮原子与一个空位邻接存在并且取代相应的碳原子的聚集体。将包含4-氮原子聚集体的金刚石称为IaB型金刚石。在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，包含4-氮原子聚集体的合成单晶金刚石在1175cm^-1的波数附近(即1175±2cm^-1)示出了峰。

片晶是五个以上氮原子聚集并且取代相应的碳原子的片晶。将包含片晶的金刚石称为IaB'型金刚石。在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，包含片晶的合成单晶金刚石在1365cm^-1的波数附近(即1365±10cm^-1)示出了峰。

当合成单晶金刚石中的所有氮原子均为聚集型氮原子时，在合成单晶金刚石中不存在不成对电子。因此，当进行ESR分析时，这种合成单晶金刚石未示出吸收。

因为合成单晶金刚石中的氮原子不包括对抑制裂纹扩展没有贡献的孤立置换型氮原子，因此根据本实施方案的合成单晶金刚石具有优异的耐缺损性。

可以从傅立叶变换红外光谱测定的红外吸收光谱中确定合成单晶金刚石是否包含孤立置换型氮原子。在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，包含孤立置换型氮原子的单晶金刚石在1130cm^-1的波数附近(即1130±2cm^-1)示出了峰。因此，通过确认在合成单晶金刚石的红外吸收光谱中1130±2cm^-1的波数范围内不存在衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰，可以确定合成单晶金刚石不包含孤立置换型氮原子。

将参考图1的实例描述根据本实施方案的合成单晶金刚石的红外吸收光谱。在图1中，虚线示出了包含孤立置换型氮原子并通过高压高温(HPHT)合成法合成的金刚石单晶的红外吸收光谱，并且实线示出了不包含孤立置换型氮原子的合成单晶金刚石的红外吸收光谱，该不包含孤立置换型氮原子的合成单晶金刚石通过将虚线所示的金刚石单晶进行电子束照射和1800℃的热处理而获得。予以注意，在金刚石单晶和合成单晶金刚石这两者中，氮原子的浓度为1000ppm。

如图1中的实线所示，在不包含孤立置换型氮原子的合成单晶金刚石的红外吸收光谱中，在1130±2cm^-1的波数范围内不存在吸收峰。相反，如图1中的虚线所示，在包含孤立置换型氮原子的金刚石单晶的红外吸收光谱中，吸收峰出现在1130±2cm^-1的波数范围内。如图1中的实线所示，由于吸收峰存在于1280±2cm^-1的波数范围内，因此可以确定合成单晶金刚石包含2-氮原子对。

在红外吸收光谱中，如果在1130±2cm^-1的波数范围内存在肩峰并且不清楚该肩峰是否为衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰，那么可以通过ESR分析确定孤立置换型氮原子的存在或不存在。当在合成单晶金刚石中没有孤立置换型氮原子时，在合成单晶金刚石中不存在不成对电子。因此，当进行ESR分析时，从合成单晶金刚石中未检测到信号。结果，可以确认在合成单晶金刚石中不存在孤立置换型氮原子。

在合成单晶金刚石的红外吸收光谱中，衍生自2-氮原子对的峰可以出现在1280±2cm^-1的波数范围内。此外，衍生自4-氮原子聚集体的峰可以存在于1175±2cm^-1的波数范围内。此外，衍生自片晶的峰可以出现在1365±10cm^-1的波数范围内。聚集型氮原子可以抑制单晶金刚石中裂纹的扩展。因此，这种合成单晶金刚石可以具有优异的耐缺损性。

根据本实施方案的合成单晶金刚石包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子。在本文中，氮原子的浓度是合成单晶金刚石中的氮原子的原子数基准的浓度。可以通过SIMS(二次离子质谱法)测定合成单晶金刚石中氮原子的浓度。当氮原子的浓度为600ppm以下时，氮原子几乎不彼此聚集，并且在合成单晶金刚石中存在孤立置换型氮原子的趋势增加，这使得合成单晶金刚石的硬度和耐缺损性不足。相反，当氮原子的浓度超过1500ppm时，合成单晶金刚石中的晶格缺陷增加，这使得合成单晶金刚石的硬度和耐缺损性不足。合成单晶金刚石中的氮原子浓度更优选为620ppm以上1200ppm以下，并且进一步优选为650ppm以上1000ppm以下。

优选地，在以100N/min的负荷速度将尖端半径(R)为50μm的球形金刚石压头压在合成单晶金刚石的表面上的破坏强度试验中，合成单晶金刚石的开裂负荷为12N以上。当开裂负荷为12N以上时，合成单晶金刚石具有优异的破坏强度和耐缺损性，并且当合成单晶金刚石用作切削工具中的材料时，切削工具可以切削任何难以切削的硬质材料，而不引起切削刃的缺损。开裂负荷更优选为15N以上，并且进一步优选为18N以上。对于开裂负荷的上限没有特别的限制，但从制造的观点出发，优选为50N以下。

在以下条件下进行破坏强度试验。将尖端半径(R)为50μm的球形金刚石压头压在试样上，以100N/min的负荷速度向试样施加负荷，并且测定试样中发生开裂瞬间的负荷(开裂负荷)。使用AE传感器测定开裂发生的瞬间。开裂负荷越大，试样的硬度越高并且耐缺损性越好。当将尖端半径(R)小于50μm的压头用作测定压头时，在发生开裂之前，试样发生塑性变形，并且可能无法精确地测定抗开裂的强度。相反，可以将尖端半径(R)大于50μm的压头用于进行测定，但是在这种情况下，直到发生开裂为止需要更大的负荷并且压头和试样之间的接触面积增加，这可能由于试样的表面精度而影响测定精度，并且可能极大地影响晶体的晶体取向。因此，在合成单晶金刚石的破坏强度试验中，优选使用尖端半径(R)为50μm的压头。

根据本实施方案的合成单晶金刚石在{001}面的<100>方向上的努普硬度优选为100GPa以上。在本说明书中，包括任意晶体学上等价的平面取向的一般平面取向由{}表示，并且包括任意晶体学上等价的方向的一般方向由<>表示。努普硬度为100GPa以上的合成单晶金刚石具有比含氮天然金刚石更高的硬度和更优异的耐磨性。努普硬度更优选为110GPa以上130GPa以下。

将描述计算努普硬度(在下文中也称为单位为GPa的HK)的方法。首先，在合成单晶金刚石的{001}面的<100>方向上，以负荷F(N)形成压痕。测量压痕的宽度“a”(μm)，并且通过下式(1)计算努普硬度(HK)。

HK＝14229×F/a² (1)

根据本实施方案的合成单晶金刚石包含作为内含物的选自由钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、锇(Os)、铱(Ir)和铂(Pt)组成的组中的至少一种元素；包含选自所述组的两种以上元素的至少一种合金；由选自所述组的至少一种元素和碳(C)或氧(O)构成的化合物；以及选自由包含至少一种元素、至少一种合金和所述化合物的复合物组成的组中的至少一种。

如果内含物的密度或尺寸大，则由于合成单晶金刚石和研磨基体之间的热膨胀差异，接合到研磨基体的合成单晶金刚石可能损坏，这在实际使用中可能是个问题。因此，合成单晶金刚石中的内含物的密度优选为20个/mm³以下，并且更优选为10个/mm³以下。此外，内含物的跨度直径可优选为10μm以下，并且更优选为5μm以下。跨度直径是指在具有一定尺寸和一定形状的单晶中可拉伸的直线的最大长度。最优选地，合成单晶金刚石不包含任何内含物。

<工具>

根据本公开的实施方案的合成单晶金刚石具有高硬度和优异的耐缺损性并且品质稳定，这使得该合成单晶金刚石应用于各种用途。例如，合成单晶金刚石可以用作诸如修整器、拉丝模具、划线工具或喷水孔之类的耐磨工具的材料，或者可用作诸如精密切削工具或伐木机之类的切削工具的材料。根据本公开的实施方案的包含合成单晶金刚石的工具可以进行更长时间的稳定加工，从而具有比由常规合成金刚石、天然金刚石或金刚石烧结体制造的工具更长的工具寿命。

<制造合成单晶金刚石的方法>

根据本公开的实施方案的制造合成单晶金刚石的方法包括：通过使用溶媒金属的温差法获得包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子的金刚石单晶(在下文中也称为温差步骤)；用具有100MGy以上1000MGy以下的能量的电子束和粒子束这两者中的一者或两者照射金刚石单晶(在下文中也称为照射步骤)；以及在常压下，在1700℃以上1800℃以下的温度对经照射的金刚石单晶进行退火(在下文中也称为退火步骤)。

(温差步骤)

例如，可以在具有图2所示的结构的试样室中并通过温差法制造金刚石单晶。

如图2所示，在用于制造金刚石单晶的试样室10中，将绝缘体2、碳源3、溶媒金属4和晶种5布置在由石墨加热器7包围的空间中，并且将压力介质6布置在石墨加热器7的外部。温差法是一种合成工艺，其中在试样室10的内部提供垂直方向上的温度梯度，将碳源3布置在高温部分(T_高)中，并且将晶种5布置在低温部分(T_低)中，将溶媒金属4布置在碳源3和晶种5之间，并且通过将温度维持在溶媒金属4溶解的温度以上并且将压力维持在金刚石热稳定的压力以上，从而在各晶种5上生长金刚石单晶。

作为碳源3，优选使用金刚石粉末。此外，也可以使用石墨(黑铅)或热解碳。作为溶媒金属4，可以使用选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)等中的至少一种金属，或者包含这些金属的合金。

碳源3或溶媒金属4可以包括氮源，氮源可作为(例如)诸如氮化铁(Fe₂N、Fe₃N)、氮化铝(AlN)、氮化磷(P₃N₄)或氮化硅(Si₃N₄)之类的氮化物，或诸如三聚氰胺或叠氮化钠之类的有机氮化合物的单质或混合物添加。由此，合成的金刚石单晶可以包含氮原子，并且金刚石单晶中的氮原子主要作为孤立置换型氮原子存在。

可以调节碳源3或溶媒金属4中的氮源的含量，使得合成金刚石单晶中的氮原子的浓度大于600ppm且为1500ppm以下。例如，在碳源中，可以将衍生自氮源的氮原子的含量调节至200ppm以上3000ppm以下。在溶媒金属的情况下，例如，当溶媒金属为由铁、钴和镍组成的合金并且氮源为Fe₃N时，氮源的含量可以调节至0.08质量％以上0.2质量％以下。

溶媒金属4可以进一步包含选自由钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铜(Cu)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钌(Ru)、铑(Rh)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、锇(Os)、铱(Ir)和铂(Pt)组成的组中的至少一种元素。

(照射步骤)

接着，用能量为100MGy以上1000MGy以下的电子束和粒子束这两者中的一者或两者照射获得的金刚石单晶。结果，将晶格缺陷引入到金刚石单晶中，从而形成空位。

如果照射能量的量小于100MGy，那么晶格缺陷的引入可能不足。相反，如果能量的量大于1000MGy，那么可能形成过量的空位，这可能使结晶度大幅劣化。因此，能量的量优选为100MGy以上1000MGy以下。

作为粒子束，可以使用中子束或质子束。对于照射条件没有特别的限制，只要施加到金刚石单晶的能量为100MGy以上1000MGy以下即可。例如，在使用电子束的情况下，照射能量可为4.6MeV以上4.8MeV以下，电流可为2mA以上5mA以下，并且照射时间可为30小时以上45小时以下。

(退火步骤)

接着，在真空中或在常压下的惰性气体气氛中，在1700℃以上1800℃以下的温度对用粒子束照射的金刚石单晶进行退火。由此，金刚石单晶中的孤立置换型氮原子移动穿过空位并且彼此聚集，从而形成聚集型氮原子。

如果退火温度低于1700℃，则氮原子的聚集速度慢，并且进行退火处理需要较长时间，这不是优选的。相反，如果退火温度高于1800℃，则氮原子的聚集速度增加，但金刚石单晶将在常压下石墨化。因此，当在高于1800℃的温度进行退火处理时，必须在金刚石热力学稳定的超高压下进行退火处理，考虑到成本增加或生产率降低，这不是优选的。因此，退火温度优选为1700℃以上1800℃以下。

粒子束照射步骤和退火步骤各自可以作为一个循环进行一次，并且该循环可以重复两次以上，这可以促进金刚石单晶中的孤立置换型氮原子的聚集。通过充分地进行粒子束照射步骤和退火步骤，可以将金刚石单晶中所有的孤立置换型氮原子转化为聚集型氮原子。因此，在所得合成单晶金刚石中不存在孤立置换型氮原子，所有的氮原子均作为聚集型氮原子存在。

[实施例]

将参考实施例更详细地描述本公开。然而，本公开的范围不限于这些实施例。

<合成单晶金刚石的制造>

[试样1]

(温差步骤)

首先，在具有图2所示的结构的试样室中，通过使用溶媒金属的温差法合成金刚石单晶。

作为溶媒金属，准备由铁、钴和镍构成的合金，并且向溶媒金属中添加作为氮源的氮化铁(Fe₃N)粉末。氮化铁在溶媒金属中的浓度为0.08质量％。

将金刚石粉末用作碳源，并且将约0.5mg的金刚石单晶用作晶种。通过使用加热器调节试样室中的温度，使得在布置有碳源的高温部分和布置有晶种的低温部分之间产生数十度的温度差。此外，超高压发生器用于将压力控制在5.5GPa，并且将低温部分的温度范围控制在1370℃±10℃(1360℃至1380℃)，并且将控制的压力和温度保持60小时，从而在晶种上合成金刚石单晶。

(照射步骤)

接着，用电子束照射获得的金刚石单晶。将照射条件设定为照射能量为4.6MeV、电流为2mA并且照射时间为30小时。该照射条件与用于将100MGy的能量施加到金刚石单晶的照射条件相同。

(退火步骤)

接着，将电子束照射后的金刚石单晶在常压下、在真空中以1700℃的温度退火1小时，从而获得合成单晶金刚石。

[试样2至12]

(温差步骤)

以与试样1相同的方式，通过温差步骤制造试样2至12的金刚石单晶。试样2至12和试样1之间的不同之处在于，添加到溶媒金属中的氮化铁(Fe₃N)粉末的量，即表1的“溶媒金属中氮化铁的浓度”一栏中列出的溶媒金属中氮化铁的浓度。

(照射步骤)

在与试样1相同的照射条件下，用电子束照射试样2至5和7至9的金刚石单晶。未用电子束照射试样6和10至14的金刚石单晶。

(退火步骤)

在照射步骤之后，在表1的“退火温度”一栏中列出的各温度下对试样2至5、7至9、11和12的金刚石单晶进行1小时的退火步骤以获得合成单晶金刚石。不对试样6和10的金刚石单晶进行退火步骤。

对金刚石单晶试样4依次进行两次电子束照射步骤和退火步骤(两个循环)。试样1至5对应于实施例，并且试样6至12对应于比较例。

<合成单晶金刚石的评价>

对获得的合成单晶金刚石进行氮浓度的测定、红外光谱分析、努普硬度测定和破坏强度试验。

(氮浓度的确定)

通过SIMS分析确定各试样的合成单晶金刚石中的氮浓度。结果列于表1。

(红外光谱分析)

在将各试样的合成单晶金刚石加工为厚度为约1mm的板状并将透过光的两个表面研磨为镜面之后，用傅里叶变换红外分光光度计在红外区域测定吸光度，以制成红外吸收光谱。在红外吸收光谱中，确认在1130±2cm^-1的波数范围内是否存在衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰。结果列于表1。在表1中，当存在红外吸收峰时，表示为“有”，当不存在红外吸收峰时，表示为“无”。

(努普硬度的测定)

按以下方式获得努普硬度：在合成单晶金刚石的{001}面的<100>方向上，以4.9N的负荷形成压痕，测量压痕的宽度“a”，并且通过下式(2)计算努普硬度(HK)。结果列于表1。

HK ＝ 14229 × 4.9/a² (2)

(破坏强度试验)

准备尖端半径R为50μm的球形金刚石压头，在室温(23℃)以100N/min的负荷速度向各试样施加负荷，并且测定当试样中发生开裂的瞬间的负荷(开裂负荷)。使用AE传感器测定发生开裂的瞬间。开裂负荷越大，试样的强度越高，并且耐缺损性越好。结果列于表1。

试样1至5的合成单晶金刚石包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子，并且在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，在1130±2cm^-1的波数范围内不存在衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰。这些合成单晶金刚石具有高硬度和优异的耐缺损性。

试样6至9的合成单晶金刚石包含浓度大于60ppm且为480ppm以下的氮原子，并且在1130±2cm^-1的波数范围内存在衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰。这些合成单晶金刚石的硬度不足且耐缺损性不足。

试样10至12的合成单晶金刚石包含浓度为700ppm的氮原子，并且在1130±2cm^-1的波数范围内存在衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰。这些合成单晶金刚石的硬度不足且耐缺损性不足。

应当理解，本文公开的实施方案和实施例是出于说明和描述的目的而呈现的，而不是在所有方面中进行限制。本公开的范围旨在不局限于上述说明，而是由权利要求的范围限定，并且包括与权利要求的含义和范围等同的所有修改。

附图标记列表

1：单晶金刚石；2：绝缘体；3：碳源；4：溶媒金属；5：晶种；6：压力介质；7：石墨加热器。

Claims (6)

1.一种合成单晶金刚石，其包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子，

所述氮原子不包括孤立置换型氮原子，

所述合成单晶金刚石中的内含物的密度为20个/mm³以下，跨度直径为10μm以下。

2.一种合成单晶金刚石，其包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子，

在通过傅里叶变换红外光谱法测定的红外吸收光谱中，在1130±2cm^-1的波数范围内不存在衍生自孤立置换型氮原子的吸收峰，

所述合成单晶金刚石中的内含物的密度为20个/mm³以下，跨度直径为10μm以下。

3.根据权利要求1或2所述的合成单晶金刚石，其中在以100N/min的负荷速度将尖端半径为50μm的球形金刚石压头压在所述合成单晶金刚石的表面上的破坏强度试验中，所述合成单晶金刚石的开裂负荷为12N以上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的合成单晶金刚石，其中所述合成单晶金刚石在{001}面的<100>方向上的努普硬度为100GPa以上。

5.一种工具，其包含根据权利要求1至4中任一项所述的合成单晶金刚石。

6.一种制造根据权利要求1所述的合成单晶金刚石的方法，包括：

通过使用溶媒金属的温差法获得包含浓度大于600ppm且为1500ppm以下的氮原子的金刚石单晶；

用电子束和粒子束这两者中的一者或两者照射所述金刚石单晶，以对所述金刚石单晶施加100MGy以上1000MGy以下的能量；以及

在常压下，在1700℃以上1800℃以下的温度对经照射的所述金刚石单晶进行退火。

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