Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen purpurroten
Diamanten, der beispielsweise für Schmuckzwecke geeignet ist,
und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Beschreibung des Hintergrunds
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Um einen farbigen Diamanten zu erhalten, war es übliche
Praxis einen natürlichen Diamanten mit Elektronen zu bestrahlen
und dann denselben unter Vakuumatmosphäre zu tempern, um ein
Farbzentrum zu bilden.
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Ein Farbzentrum wird gebildet, wenn ein Stickstoffatom in
einem Kristall und ein Gitterfehler, der durch die Bestrahlung
mit Elektronen erzeugt wurde, sich miteinander über die
Wirkung des Temperns verbinden. Ferner ist auch ein Gitterfehler
allein wirksam, um einen farbigen Diamanten zu bilden. Ferner
wird der Typ des Farbzentrums über die Art bestimmt, in der
sich Stickstoffatome miteinander verbinden. Die Beziehung
zwischen Farbzentren und Farben ist in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Name des Zentrums Gegenstand
Zustand der Kombination im Farbzentrum
Farbe des Farbzentrums
Zentrum
ein Paar von Stickstoffatomen und ein Gitterfehler
zwei Paare von Stickstoffatomen und ein Gitterfehler
ein isoliertes Stickstoffatom und ein Gitterfehler
ein Gitterfehler
drei (natürlich vorkommende) Stickstoffatome
gelb
purpurrot
bläulichgrün
lichtes Gelb
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Für die Verfahren, die in Tabelle 1 aufgeführten Farbzentren
zu bilden, und für deren Charakteristika wird auf "Optical
absorption and luminiscents in diamonds" Reports on Progress
Physics, John Walker, Band 42, 1979 Bezug genommen. Ferner
sind die wirklichen von gefärbten Diamanten entfalteten
Farben die in Tabelle 1 aufgeführten Farben, die inherenten
Farben von natürlichen Rohdiamanten überlagert sind.
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Die inherenten Farben von natürlichen Rohdiamanten sind wie
in Tabelle 2 gezeigt klassifiziert.
Tabelle 2
Konfiguration, in der Stickstoff vorliegt
Gegenstand Klassifikation von Diamanten
Farbe des Rohsteins
isolierte Stickstoffatome
ein Paar Stickstoffatome
zwei Paare von Stickstoffatomen
drei Stickstoffatome
in der Natur vorkommender Prozentsatz
transparent farblos
lichtgelb
gelb
braun
blau
klargelb
fehlen
liegen vor
viele
fehlen (enthalten B)
wenige
etwa
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Wie aus Tabelle 1 und 2 ersichtlich ist, werden jene
Rohsteine effektiv gefärbt, indem man ein in Tabelle 1
aufgeführtes Farbzentrum in transparent farblosen oder lichtgelben
Diamanten des Typs IIa oder Ia erzeugt. Diese Rohsteine haben
entweder überhaupt keinen Stickstoff oder haben ein oder zwei
Paare von Stickstoffatomen. Daraus folgt, daß Färben nur für
die beiden folgenden Farben effektiv ist:
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1. Bläulich grün (basierend auf dem GR1 Zentrum, das nur
durch Elektronenbestrahlung gebildet wird).
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2. Gelb (basierend auf den H3 und H4 Zentren, die durch
Elektronenbestrahlung und Tempern gebildet werden).
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Die EP-A-0275063 offenbart ein lichtemittierendes Element,
das auf einem künstlichen Diamanten mit Farbzentren beruht,
die dem Diamanten eine gelbe Farbe geben. Insbesondere ist
eine erhöhte Anzahl von H3 Farbzentren in der Lage, die
Lasereffizienz des lichtemittierenden Elements zu verbessern.
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Aus der obigen Beobachtung haben wir geschlossen, daß ein
Diamant, der infolge des N-V-Zentrums Purpurrot zeigt, kaum
aus natürlichen Rohsteinen hergestellt werden kann, und daß
ein purpurroter Diamant, der eine transparente Empfindung in
der Vorstellung hervorruft und dessen Farbe brillant ist,
nicht aus natürlichen Rohsteinen hergestellt werden kann.
Ferner, da der Rohstein des Ib-Typs, der allein isolierte
Stickstoffatome zur Herstellung des N-V-Zentrums enthält, mit
so wenig wie 0.2 % bei den natürlichen Rohsteinen vorkommt,
ist es sehr schwierig, solch einen Rohstein selber zu
erhalten.
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So bekamen wir die Idee, einen künstlichen, synthetischen
Diamanten des Ib-Typs, der 100 % isolierten Stickstoff
enthält, zu verwenden. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung
des N-V-Zentrums durch Elektronenbestrahlung und Tempern in
A.T. Collins, Journal of Physics c, solidstate physics 16
(S.2177 - 2181, 1983) beschrieben. Um jedoch eine gefärbten
Diamanten als Schmuck verwenden zu können, sollte er eine
transparente Empfindung in der Vorstellung hervorrufen und
und seine Farbe sollte brillant sein; ein Problem, das noch
nicht gelöst wurde.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen purpurroten
Diamanten, der eine transparente Empfindung in der
Vorstellung hervorruft und dessen Farbe brillant ist, und ein
Verfahren zur Massenherstellung desselben zur Verfügung zu
stellen.
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Ein purpurroter Diamant ist nach der vorliegenden Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionskoeffizient des
Stickstoffs des Ib-Typs bei 500 nm 0.2 - 2 cm&supmin;¹ ist, der
Absorptionskoeffizient des N-V-Zentrums in der
Absorptionsspitze bei 570 nm 0.3 bis 10 cm&supmin;¹ ist, und daß die
Absorptionskoeffizienten des GR1 Zentrums, des H2 Zentrums, des H3
Zentrums und des H4 Zentrums kleiner als 0.2 cm&supmin;² im
sichtbaren Bereich sind.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines purpurroten Diamanten
entsprechend der Erfindung verwendete einen künstlichen,
synthetischen Diamantenkristall des Ib-Typs, in dem der
Stickstoffgehalt des Ib-Typs im Bereich 8 x 10¹&sup7; - 1.4 x 10¹&sup9;
Atomen/cm³ liegt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der
genannte Diamantenkristall einer Elektronenbestrahlung von 5 x
10&supmin;¹&sup6; - 2 x 10¹&sup8; Elektronen/cm² bei 2 - 4 MeV, gefolgt von
Tempern in einem Vakuum von weniger als 1.3 Pa (10&supmin;² Torr)
bei einer Temperatur von 800 - 1100 ºC über mehr als 25
Stunden unterzogen wird.
Unser purpurroter Diamant
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Das transparente Empfinden hängt vom Absorptionskoeffizienten
des N-V-Zentrums und vom Absorptionskoeffizienten des
Stickstoffs vom Ib-Typ ab, und damit der Diamant als transparent
empfunden wird, ist es wichtig, daß dieser Wert innerhalb des
genannten Bereiches sein muß. Andererseits ist es wichtig, um
die Farbbrillanz der Diamanten zu gewährleisten, daß die
Absorptionskoeffizienten der anderen Farbzentren kleiner als
0.2 cm&supmin;¹ im sichtbaren Bereich sein müssen, zusätzlich zur
Beschränkung der Absorptionskoeffizienten des besagten N-V-
Zentrums und des Stickstoffs des IB-Typs.
a) Über den Absorptionskoeffizienten des N-V-Zentrums:
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In dem N-V-Zentrum erfolgt die Absorption von 500 nm - 640
nm, wobei der Spitzenwert bei 570 nm liegt. Deswegen ist die
den Zentren zugeordnete Farbe der Absorption gelb. Als
Ergebnis dieser Absorption zeigen die Kristalle eine komplementäre
Farbe, nämlich Purpurrot. Diese Absorption spielt bei der
Bestimmung der Farbe eines purpurroten Diamanten entsprechend
der Erfindung eine wichtige Rolle.
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Das transparente Empfinden ist ein wichtiger Faktor bei der
Schmuckverwendung. Dieses hängt derart vom
Absorptionskoeffizienten ab, dar das transparente Empfinden verloren geht,
wenn der Absorptionskoeffizient 10 cm&supmin;¹ überschreitet.
Andererseits verschwindet für einen Absorptionskoeffizienten
kleiner als 0.3 cm&supmin;¹ das Purpurrot, wobei es dem Gelb Platz
macht, das die inherente Farbe des Rohsteins ist.
b) Über den Absorptionskoeffizienten des Stickstoffs des Ib-
Typs:
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Im Fall des Stickstoffs des Ib-Typs erfolgt die Absorption
bei 550 nm. Wenn die Wellenlänge abnimmt, nimmt der
Absorptionskoeffizient zu und geht gegen unendlich bei 400 nm. Der
Bereich, in dem die Absorption zunimmt, liegt oberhalb von
500 nm, wo blaue, indigoblaue und purpurrote Farben
absorbiert werden, wobei die Kristalle eine komplementäre Farbe,
nämlich Gelb, zeigen. Wenn dieses Gelb licht ist, mischt es
mit Purpurrot, wobei es eine klare purpurrote Farbe zeigt,
die eine transparente Empfindung in der Vorstellung
hervorruft. Dieser Effekt findet nicht statt, wenn der
Absorptionskoeffizient bei 500 nm kleiner als 0.2 cm&supmin;¹ ist. Wenn er 2
cm&supmin;¹ überschreitet ist das Gelb zu dunkel für die Kristalle,
als daß sie eine transparente Empfindung in der Vorstellung
hervorrufen würden, und das Gelb herrscht über das Purpurrot
vor; Purpurrot wird nicht länger gezeigt.
C) Über den Absorptionskoeffizienten, der mit anderen
Absorptionsarten verbunden ist:
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Wenn andere Absorptionsarten (durch das GR1-Zentrum, durch
das H2-Zentrum, das H3-Zentrum und das H4-Zentrum) im
sichtbaren Bereich vorkommen, wird das Purpurrot trübe, wobei das
Empfinden als brillant abnimmt. Um das Empfinden als brillant
aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, daß der
Absorptionskoeffizient kleiner als 0.2 cm&supmin;¹ ist. Absorptionsspitzen, die
stellvertretend für andere Arten der Absorption sind, die im
sichtbaren Bereich vorkommen, schließen die vom GR1-Zentrum,
wo Absorption bei 550 bis 740 nm vorkommt, und die vom H2-
Zentrum mit ein, wo Absorption bei 650 bis 990 nm vorkommt.
Da diese Zentren Farben, die um rot herum liegen,
absorbieren, würden übermäßig hohe Absorptionskoeffizienten bewirken,
dar sich Grün, das die Komplementärfarbe ist, mit Purpurrot
mischt, wobei das Empfinden als brillant verringert wird.
Über die Herstellungsverfahren
A) Verwendung des künstlichen synthetischen Diamanten, des
Ib-Typs:
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Im Fall von Naturdiamanten, da verschiedenartige Formen von
Stickstoffatomen enthalten sind, wird Tempern eine Vielfalt
von Farbzentrentypen hervorrufen. Daher ist es schwierig
einen Rohstein bereitzustellen, der nur N-V-Zentren enthält,
indem man einen Naturdiamanten verwendet.
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Künstliche synthetische Diamanten des Ib-Typs enthalten 100 %
isolierte Stickstoffatome. Aus diesem Grund kann, wenn ein
künstlicher synthetischer Diamant verwendet wird, ein
Rohstein, der nur N-V-Zentren enthält leicht hergestellt werden.
In diesem Fall enthält ein Diamant, der über die
Temperaturgradientenverfahren hergestellt wurde, weniger
hauptkörperähnliche Einschlüsse als ein Diamant der über die
Filmwachsverfahren hergestellt wurde, was großformatige Kristalle zum
Ergebnis hat, eine wünschenswerte Tatsache.
B) Über den Stickstoffgehalt:
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Der Faktor, der am nähesten in Verbindung steht zum
Absorptionskoeffizienten des N-V-Zentrums und zum
Absorptionskoeffizienten des Stickstoffs des Ib-Typs ist der Stickstoffgehalt.
Wenn der Gehalt kleiner ist als 8 x 10¹&sup7; Atome/cm³, ist der
Absorptionskoeffizient des N-V-Zentrums bei 570 nm kleiner
als 0.2 cm&supmin;¹ oder der Absorptionskoeffizient des Stickstoffs
des Ib-Typs bei 500 nm ist kleiner als 0.3 cm&supmin;¹. Ferner, wenn
der Gehalt 1.4 x 10¹&sup9; Atome/cm³ überschreitet, überschreitet
der Absorptionskoeffizient des N-V-Zentrums 2 cm&supmin;² oder der
Absorptionskoeffizient des Stickstoffs des Tps Ib
überschreitet 10 cm&supmin;¹.
C) Über die Elektronenbestrahlung:
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Eine gleichmäßige Bildung von Gitterfehlern durch
Elektronenbestrahlung ist wesentlich für die gleichmäßige
Herstellung des N-V-Zentrums in den gesamten Kristallen. Unter der
Bedingung der Bestrahlung mit weniger als 5 x 10&supmin;¹&sup6;
Elektronen/cm² bei 2 MeV, ist die Konzentration an Gitterfehlern in
einigen der Kristalle kleiner. Oberhalb 4 MeV gibt es ferner
eine Möglichkeit, daß die Einschlüsse bestrahlt werden. Mit
einer Bestrahlungsdosis, die 2 x 10¹&sup8; Elektronen/cm²
überschreitet, ist die Gitterfehlerkonzentration zu hoch, wobei
ein Problem hervorgerufen wird, daß das GR1-Zentrum nicht
beseitigt werden kann, oder daß das H2-Zentrum sich zu bilden
beginnt. In diesem Fall wird es einen hohen Grad an
Absorption im sichtbaren Bereich geben, der durch andere Effekte
als das N-V-Zentrum oder den Stickstoff des Ib-Typs
verursacht wird.
D) Über das Tempern:
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Mehr als 25 Stunden Tempern beseitigt in befriedigender Weise
das GR1-Zentrum, das über die Elektronenbestrahlung erzeugt
wurde, und gewährleistet eine zufriedenstellende Kombination
zwischen dem Stickstoff des Ib-Typs und Gitterfehlern. Mit
weniger als 25 Stunden Tempern jedoch können die genannten
Effekte nicht im vollsten Umfang erreicht werden. Ferner wird
mit einem Vakuum, das 1.3 Pa (10&supmin;² Torr) überschreitet,
Graphitierung der Diamantenoberfläche eintreten. Wenn die
Temperatur des Temperns unter 800 ºC liegt, kann das GR1-Zentrum
nicht vollständig beseitigt werden, während, wenn sie 1100 ºC
überschreitet, das N-V-Zentrum beginnt, zerstört zu werden,
und das Purpurrot wird heller.
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Gemäß der Erfindung kann ein purpurroter Diamant, der eine
transparente Empfindung in der Vorstellung hervorruft, und
dessen Farbe brillant ist, erhalten werden. Ferner ist es
entsprechend einem Verfahren zur Herstellung eines
purpurroten Diamanten, da ein purpurroter Diamant über das Verfahren,
das charakteristisch für die Erfindung durch die Verwendung
eines künstlichen synthetischen Diamanten ist, leicht, den
notwendigen Rohstein herzustellen, und deswegen können
purpurrote Diamanten in Massenproduktion hergestellt werden.
Beispiele
Beispiel 1
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Sieben künstliche synthetische Diamanten des Ib-Typs (deren
Stickstoffgehalt 4 x 10¹&sup7; bis 4 x 10¹&sup9; Atome/cm³ betrug), die
über die Temperaturgradientenverfahren synthetisiert wurden,
wurden einer Elektronenbestrahlung mit 1 x 10¹&sup6; bis 2 x 10¹&sup9;
Elektronen/cm² bei 3 MeV unterzogen. Darauf wurden sie 30
Stunden in einem Vakuum von 0.13 Pa (10&supmin;³ Torr) bei 900 ºC
getempert.
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Die erhaltenen Diamanten wurden bezüglich des
Absorptionskoeffizienten des N-V-Zentrums, des Stickstoffs des Ib-Typs,
der GR1- und H2-Zentren unter Verwendung eines Spektroskops
im sichtbaren Ultraviolett getestet.
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Ferner wurden die genannten Proben in Brillanten von 0.5
-0.6 Karat geschnitten. Um sie entsprechend ihrer Verwendung
als Schmuck zu bewerten, wurden 100 willkürlich ausgewählte
Frauen im Alter zwischen 18 und 65 Jahren aufgefordert, die
genannte Probe zu begutachten, und die Information über die
folgenden Punkte wurde über diesen Fragebogen gesammelt. Das
Ergebnis ist in Tabelle 3 gezeigt.
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(Im Fragebogen gestellte Fragen).
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1) Wird er als transparent empfunden?
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2) Ist die Farbe brillant?
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3) Hat er einen Wert als Schmuck?
Tabelle 3
Proben Nr.
Analyse der sichtbaren Ultraviolettspektroskopie
Absorptionskoeffizient des N-V-Zentrums (cm &supmin;¹)
Absorptionskoeffizient des Stickstoffs des Ib-Typs (cm-1)
Absorptionskoeffizient von anderen Zentren (cm &supmin;¹)
Stickstoffkonzentration des Rohsteins (Atome/cm3)
Elektronenbestrahlungsdosis (Elektronen/cm2)
Ergebnis der Fragebogenaktion
wird als transparent empfunden (Personen)
Brillanz der Farbe (Personen)
Wert als Schmuck (Personen)
Vergl.-beisp.
Beispiel
oder weniger
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Zusätzlich gibt das Ergebnis, der in Tabelle 3 gezeigten
Fragebogenaktion die Zahl der Personen an, die mit ''Ja"
geantwortet haben.
Beispiel 2
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Drei synthetische Diamanten des Ib-Typs (mit einem
Stickstoffgehalt mit 2x10¹&sup8; Atomen/cm³), die über die
Temperaturgradientenverfahren synthetisiert wurden, wurden einer
Elektronenbestrahlung mit 2x10¹&sup8; bis 1x10¹&sup9; Elektronen/cm² bei 3
MeV unterzogen. Anschließend wurden sie über 10 bis 40
Stunden lang in einem Vakuum von 0.013 Pa (10&supmin;&sup4; Torr) bei 1100 ºC
getempert.
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Die erhaltenen Proben wurden bezüglich des
Absorptionskoeffizienten des N-V-Zentrums des Stickstoffs des Ib-Typs, des
GR1-Zentrums und des H2-Zentrums unter Verwendung eines
Spektroskops im sichtbaren Ultraviolett getestet.
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Ferner wurden die besagten Proben in Diamanten von jeweils
0.8 bis 1.2 Karat/Stück geschnitten. Um sie bezüglich ihrer
Verwendung als Schmuck zu bewerten, wurde eine
Fragebogenaktion auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt und das
Ergebnis ist in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
Proben Nr.
Spektroskopische Analyse im sichtbaren Ultraviolett (cm-1)
Absorptionskoeffizient des N-V-Zentrums (cm-1)
Absorptionskoeffizient des Stickstoffs des Ib-Typs (cm-1)
Absorptionskoeffizienten von anderen Zentren (cm-1)
Elektronenbestrahlungsdosis (Elektronen/cm2)
Dauer des Temperns (Stunden)
Ergebnis der Fragebogenaktion
wird als transparent empfunden (Personen)
Farbbrillanz (Personen)
Wert als Schmuck (Personen)
Beispiel
Kontrolle
-
Zusätzlich gibt das in Tabelle 4 gezeigte Ergebnis der
Fragebogenaktion die Anzahl der Personen an, die mit "Ja"
geantwortet haben.