ES2208830T3 - Diamante con superficie enriquecida. - Google Patents
Diamante con superficie enriquecida.Info
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Abstract
ESTA INVENCION SE REFIERE A UN CRISTAL DE DIAMANTE IMPURIFICADO CON ELEMENTOS QUE POSEE UNA MAYOR RESISTENCIA A LA FRACTURA COMPRENSIVA AUMENTANDO LA CONCENTRACION DE LAS IMPUREZAS DE IMPURIFICACION DEL ELEMENTO ENTRE EL CENTRO Y LA SUPERFICIE DEL CRISTAL DE DIAMANTE, GENERANDO ASI UNOS ESFUERZOS COMPRESIVOS TANGENCIALES EN LA SUPERFICIE DEL CRISTAL DE DIAMANTE. LA INVENCION TAMBIEN SE REFIERE A METODOS PARA LA PRODUCCION DEL CRISTAL DE DIAMANTE.
Description
Diamante con superficie enriquecida.
Esta invención se refiere a un compuesto y
artículo de diamante, que ha crecido a alta temperatura y presión
con resistencia aumentada a la fractura por compresión (CFS). Más
particularmente, esta invención se refiere a la incorporación
heterogénea de elementos seleccionados hacia y/o cerca de la
superficie externa del cristal de diamante para aumentar su
resistencia a la fractura y su comportamiento. La invención también
se refiere a un procedimiento para fabricar cristales de diamante
que están enriquecidos en la superficie con elementos que aumentan
la resistencia a la fractura por compresión.
Los cristales de diamante se usan típicamente
para la fabricación de herramientas de diamante tales como muelas
abrasivas, herramientas de rectificación o reavivación para muelas
abrasivas, y hojas de sierra.
Para funcionar eficazmente en las aplicaciones
mencionadas en lo que antecede, son deseables cristales de diamante
que tengan la mayor resistencia, incluyendo resistencia a la
fractura por compresión. La resistencia a la fractura por
compresión es una especificación clave para cristales de diamante, y
a menudo se correlaciona con el comportamiento del diamante en
dichas aplicaciones. La resistencia a la fractura del cristal, como
fue medida por Roll Crusher, se correlaciona con el comportamiento
del diamante en estas aplicaciones, tal como estereotomía del
diamante.
La resistencia a la fractura por compresión puede
ser medida rompiendo por compresión una población de granos de
diamante, tanto antes como después del tratamiento. El procedimiento
de Roll Crusher utiliza un aparato que tiene un par de rodillos
duros contra-rotatorios adaptados con un medio para
medir la fuerza a compresión aplicada mediante los rodillos a los
granos que pasan entre los rodillos en el momento de la fractura de
grano. El movimiento de uno de los rodillos se mide mediante un
transductor adecuado, tal como un transformador diferencial de
tensión lineal para generar una señal eléctrica que sea
proporcional en tensión a la deformación del rodillo y, por ello,
proporcional a la fuerza a compresión sobre el grano de
diamante.
El diamante es un sólido frágil y falla por
fractura. Su constante de elasticidad (módulo de Young del
diamante) es alta, 1,143 x 10^{12} Gigapascales. La temperatura
de transición dúctil-frágil para el diamante es de
unos 1.150ºC. Las aplicaciones de lo que antecede usan diamante en
la región de fractura frágil, que se extiende desde la temperatura
ambiente hasta unos 1.000ºC.
Los átomos de impurezas disueltos en el cristal
de diamante, tales como boro, nitrógeno e hidrógeno, pueden generar
tensiones debido a las grandes dilataciones en la red
cristalográfica que pueden ocasionar. Por ejemplo, átomos disueltos
de nitrógeno, boro e hidrógeno expanden la red cristalográfica del
diamante alrededor de ellos un 40%, 33,7% y 31%, respectivamente. Si
la distribución del nitrógeno, boro o hidrógeno disuelto es uniforme
en un cristal de diamante, la red cristalográfica sólo se expande
uniformemente y no se desarrollan tensiones a gran distancia. Sin
embargo, si la distribución de nitrógeno, boro o hidrógeno no es
uniforme, se producirán tensiones heterogéneas en el diamante.
Estas tensiones desiguales generarán grandes tensiones a gran
distancia.
Actualmente, la concentración de impurezas en
cristales sintéticos de diamante disminuye al aumentar el radio
dentro del cristal de diamante. Existen varias razones para ello.
Por ejemplo, en el procedimiento de alta presión alta temperatura
(HPHT) utilizado para sintetizar cristales de diamante, la
concentración de nitrógeno en la fusión disminuye con el tiempo pues
el diamante en crecimiento toma nitrógeno de la fusión. (La fusión
se refiere al catalizador metálico/disolvente fundido por medio del
cual el carbono se transforma desde el grafito en bruto hasta los
cristales de diamante que crecen a alta presión y alta temperatura).
Otra razón es que la velocidad de crecimiento del cristal de
diamante disminuye al aumentar el radio y la incorporación de
impurezas disminuye al reducirse la velocidad de crecimiento.
Además, la concentración de impurezas en el cristal de diamante
puede depender del sector de crecimiento. Por sector de crecimiento
de entiende la dirección cristalográfica en la cual tiene lugar el
crecimiento (o que está teniendo lugar), y la(s) región
(regiones) en el cristal en la(s) cual(es) se produjo
el crecimiento en la misma dirección.
Esta reducción en la concentración de impurezas
con el aumento del radio (es decir, gradiente negativo de
concentración) ocasiona esfuerzos tangenciales de tracción sobre la
superficie del diamante. Como el diamante es un sólido frágil, su
resistencia a la fractura por compresión se ve reducida por estos
esfuerzos tangenciales de tracción.
A medida que la tecnología avanza, la siguiente
generación de diamantes requerirá mayor resistencia. Así, existe la
necesidad de un cristal de diamante con una resistencia mejorada a
la fractura por compresión. También existe la necesidad de
procedimientos para fabricar estos diamantes de cristal.
El artículo "Diffusion of boron, lithium,
oxygen, hydrogen and nitrogen in a type IIa natural diamond" de
Popovici y colaboradores, Journal of Applied Physics, volumen 77,
n.º 10 del 15 de mayo de 1995, páginas 5.103-5.106
describe un procedimiento de difusión de dos etapas. Primero se
realizó la difusión del litio y del oxígeno en una atmósfera de
nitrógeno a 860ºC durante una hora. La muestra fue colocada, a
continuación, en un reactor de crecimiento CVD de filamento
caliente, y se realizó la difusión durante dos horas en una
atmósfera de hidrógeno desde una fuente de boro sólido colocada
sobre la superficie de la muestra.
De acuerdo con estas necesidades, esta invención
comprende un cristal de diamante dopado con un elemento que tiene
una resistencia aumentada a la fractura por compresión, en el cual
la concentración de impurezas del elemento dopante aumenta entre el
centro y la superficie del cristal de diamante, generando de este
modo esfuerzos tangenciales de tracción en la superficie del
cristal de diamante. La invención también es un cristal de diamante
que comprende un cristal de diamante dopado con elemento que tiene
una resistencia aumentada a la fractura por compresión con un
gradiente positivo de concentración de elemento dopante entre el
centro y la superficie del cristal de diamante que genera esfuerzos
tangenciales de compresión en la superficie del cristal de
diamante. Ejemplos de elementos dopantes puede incluir, entre otros,
boro, nitrógeno, hidrógeno, litio, níquel, cobalto, sodio, potasio,
aluminio, fósforo y oxígeno. En la memoria, también se puede hacer
referencia al elemento dopado como a un átomo de impureza, elemento
de impureza o concentración de impureza. Otros ejemplos de
impurezas son intersticios y posiciones vacantes en la estructura
cristalina, incluyendo intersticios de carbono.
Otro aspecto de la invención incluye artículos de
manufactura, tales como sierras, muelas abrasivas y herramientas
para la estereotomía del diamante, que contienen el cristal de
diamante de esta invención. Aún otro aspecto de esta invención son
procedimientos para fabricar el cristal de diamante que tiene
resistencia aumentada a la fractura por compresión.
Una concentración o distribución heterogénea de
impurezas puede ser generada tanto por la incorporación diferencial
de impurezas dentro de sectores diferentes de crecimiento del
cristal, o por cambios temporales en las condiciones de
crecimiento, las cuales generan gradientes radiales de impurezas.
Como las condiciones de crecimiento controlan la distribución de
impurezas en el diamante, los diamantes de esta invención pueden
ser reforzados mediante diferentes condiciones de crecimiento.
Es un objetivo de la presente invención aumentar
la resistencia a la fractura por compresión de diamante sintético,
tal como partículas de diamante usadas en herramientas.
Es un objetivo de la presente invención aumentar
la resistencia a la fractura por compresión de diamante sintético
haciendo que tengan una elevada concentración de átomos de
impurezas en el diamante o cerca de su superficie.
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar procedimientos para aumentar la resistencia a la
fractura por compresión en cristales sintéticos de diamante.
Otros objetivos de la presente invención serán
aparentes a partir de los siguientes dibujos y de la
descripción.
La figura 1 es una gráfica de la velocidad de
crecimiento frente al radio de cristal de diamante para la técnica
anterior.
La figura 2, que también muestra la técnica
anterior, representa una gráfica del nivel de impurezas de
nitrógeno en partes por millón (p.p.m.) frente al radio de cristal
de diamante.
La figura 3, que representa la técnica anterior,
es el límite elástico con deformación plástica (línea continua) del
diamante en función de la temperatura. También se muestra la línea
de equilibrio diamante-grafito (línea
discontinua).
La figura 4, que representa la técnica anterior,
muestra las tensiones radiales, tangenciales y de cizalla en un
diamante con un gradiente negativo radial lineal de impurezas.
La figura 5, que demuestra esta invención,
muestra las tensiones radiales, tangenciales y de cizalla en un
diamante con un gradiente positivo radial lineal de impurezas.
La figura 6, que demuestra esta invención,
muestra las tensiones radiales, tangenciales y de cizalla en un
diamante con una delgada costra de impurezas contigua a la
superficie exterior del diamante.
La figura 7 es una microfotografía de una faceta
(111) de cristal sobre un cristal de diamante de esta invención que
tiene una capa dopada de impurezas sobre la superficie del
diamante.
La figura 8 es una microfotografía de una faceta
(100) de cristal sobre un cristal de diamante de esta invención que
tiene una capa de impurezas sobre la superficie del diamante.
La figura 9 es una microfotografía de una sección
transversal del espesor de revestido de la capa del diamante de esta
invención.
Se ha descubierto que un gradiente radial
positivo (es decir, que aumenta la concentración al aumentar el
radio), de un elemento de impureza que origina una expansión de la
red cristalográfica del diamante, producirá esfuerzos tangenciales
de compresión en la superficie del diamante que refuerzan el
diamante de la misma forma que el vidrio templado. Los candidatos
ideales para la impureza o elemento dopante, incluyen boro,
nitrógeno, hidrógeno, litio, níquel, cobalto, sodio, potasio,
aluminio, fósforo y oxígeno. Además, los intersticios y posiciones
vacantes en el cristal pueden ser considerados impurezas,
incluyendo intersticios de carbono. El boro, hidrógeno y nitrógeno
se incorporan fácilmente al diamante durante el crecimiento. El
boro proporciona una ventaja adicional de resistencia mejorada a la
oxidación. En esta invención, el nitrógeno puede tener una
concentración local de 0-1.000 partes por millón;
el hidrógeno puede tener una concentración de
0-1.000 partes por millón; y puede haber una mezcla
de boro, nitrógeno e hidrógeno con una concentración de
0-10.000 partes por millón.
El diamante de abundancia isotópica natural está
compuesto por dos isótopos del carbono, en particular un 98,9% de
carbono ^{12}C y 1,1% de carbono ^{13}C. Más de un 1,1% de
isótopo ^{13}C de carbono puede ser considerado una impureza en
diamante de abundancia isotópica natural. El isótopo ^{13}C
ocasiona una contracción en la red cristalográfica del diamante.
Por esta razón, en un cristal de diamante se produce un gradiente
negativo de concentración del isótopo ^{13}C, y se desarrollan
esfuerzos tangenciales de compresión en la superficie del diamante
haciendo que el diamante aumente su resistencia.
El cristal de diamante utilizado en la invención
es un diamante sintético, fabricado por un procedimiento de alta
presión alta temperatura en el cual las presiones mayores a
aproximadamente 45 kilobars se combinan con temperaturas que
superan los 1.200 grados centígrados en la región del carbono
P-T, donde el diamante está en la fase
termodinámicamente preferible. Se pueden fabricar una variedad de
cristales de diamante.
También está contemplado que el proceso de la
presente invención sea adecuado para usarse con una variedad de
cristales de diamante de partida (a los que también se hace
referencia como granos). Los granos abrasivos de diamante
comercialmente disponibles están disponibles en varias resistencias
y tenacidades. Las variaciones en la velocidad de crecimiento
durante la fabricación es un factor que puede ser utilizado para
controlar las propiedades del grano abrasivo de diamante. Un
cristal de diamante perfecto es probable que tenga un despegue y
desgaste más regular. Se pueden producir fallos de cristal, maclado,
etc. y llevar a variaciones en las propiedades cristalinas del
diamante.
Preferiblemente, los cristales de partida de
diamante tienen superficies sin revestir. Se pretende que el
procedimiento de la presente invención sea utilizado para aumentar
la resistencia a la fractura por compresión del diamante antes de
su posterior fijación a una herramienta. A modo de ejemplo, un
cristal de diamante de esta invención es, al menos nominalmente, un
cristal sencillo, pero también puede tener presentes uno o más
planos gemelos. Es un cristal de diamante con facetado
tridimensional (3-D). El diámetro del cristal de
diamante es de hasta, aproximadamente dos centímetros de diámetro
(2 cm), inclusive. El cristal de diamante tiene una concentración
de impurezas que aumenta al aumentar el radio, llevando a un
esfuerzo tangencial de compresión en la superficie del cristal. En
una manifestación de esta invención, las impurezas están en un
máximo local en la superficie del cristal, disminuyendo con radios
más pequeños hasta un mínimo local al menos aproximadamente 5
micrómetros por debajo de la superficie del cristal de diamante. La
concentración de impurezas dentro de los 0,25-50
micrómetros más externos es de unos 10-10.000 partes
por millón. Además, esta invención incluye un cristal de diamante
3-D en el cual un componente (es decir, la
componente tangencial) del estado de tensiones de algunas de las
superficies de faceta del cristal está a compresión en el intervalo
de 10-5.000 MPa. Los esfuerzos tangenciales de
compresión de la superficie son de hasta 5.000 MPa inclusive. La
tensión radial superficial es siempre de 0 MPa. Además, los
esfuerzos tangenciales de compresión sobre el cristal de diamante de
esta invención pueden estar superpuestas a los esfuerzos
tangenciales de tracción existentes sobre el cristal. El intervalo
de esfuerzos tangenciales de compresión superpuestos sobre
esfuerzos tangenciales de tracción preexistentes en el cristal de
diamante es de 10-5.000 MPa.
En la memoria, la invención se demostrará usando
boro, nitrógeno e hidrógeno. Debido a la extremadamente alta
energía de enlace y a la densidad atómica del diamante, el boro,
nitrógeno y el hidrógeno pueden disolverse hasta un grado
apreciable en el diamante. Incluso en los casos de boro, nitrógeno e
hidrógeno, la solubilidad está limitada a cantidades inferiores a
algunos cientos de partes por millón para el nitrógeno, y a menos
de 1% para el boro. A pesar de sus solubilidades limitadas en el
diamante, el nitrógeno, boro o el hidrógeno disueltos pueden
generar tensiones debido a las grandes dilataciones de la red
cristalográfica que ocasionan. Si la distribución de nitrógeno, boro
o hidrógeno no es uniforme, se producirán tensiones heterogéneas en
el diamante. Estas tensiones desiguales generarán grandes tensiones
a gran distancia. Se puede calcular una estimación aproximada de la
magnitud de estas tensiones multiplicando el módulo de Young del
diamante (10^{12} Pascales) por la deformación generada por una
impureza. Para el nitrógeno en el diamante, la máxima deformación se
produce en la máxima solubilidad de nitrógeno en el diamante y es
del orden de 4,5 x 10^{-4}. Esta cantidad de deformación se
traducirá en una tensión de la magnitud de 5 x 10^{8} Pascales.
Esto se compara con las resistencias al aplastamiento experimentales
del diamante de 0,2\rightarrow 2 x 10^{10} Pascales. De este
modo, las tensiones generadas por distribuciones no uniformes de
nitrógeno en el diamante pueden ser tal altas como del 2,5% hasta
25% de la resistencia al aplastamiento del diamante.
Las distribuciones desiguales de nitrógeno o boro
en diamantes pueden proceder de dos fuentes diferentes. La primera
fuente de una distribución heterogénea de boro o nitrógeno es la
variación del coeficiente de distribución (la relación entre la
solubilidad de una impureza en el líquido y la fase sólida) de boro
y nitrógeno con la faceta de crecimiento del cristal de diamante.
Por ejemplo, la incorporación de nitrógeno típicamente es la mayor
en el sector (111) de crecimiento, ligeramente menor en el sector
(100) de crecimiento, y aún menor en los sectores (113) y (110). La
concentración de nitrógeno es, habitualmente, tan alta como de
varios cientos de partes por millón. Si se hace una sección a
través del centro de un cristal de diamante sintético típico, la
sección transversal presentará típicamente ambos sectores (111) y
(100) de crecimiento. La mayor expansión de la red cristalográfica
ocasionada por el nitrógeno en los sectores (111) de crecimiento es
incompatible con la menor expansión de la red cristalográfica en el
sector (100) inferior del nitrógeno. Estas deformaciones
incompatibles generan tensiones de tracción en el sector (100) de
crecimiento y tensiones a compresión en el sector (111) de
crecimiento. Las tensiones de tracción en el sector (100) pueden
debilitar el cristal de diamante en aplicaciones mecánicas de
amolado y serrado.
El boro también tiene un coeficiente de
distribución que depende de la faceta de crecimiento del cristal de
diamante. En concentraciones mayores de boro que son de interés, el
boro se incorpora preferiblemente en el sector (111) tanto en
diamantes de gema como en diamantes CVD. El boro hace que la red
cristalográfica del diamante se expanda un 33,7% y su solubilidad
en el diamante puede ser de tanto como 0,9%. De este modo, la
incorporación de boro también llevará a tensiones en un cristal de
diamante de una forma similar a la del nitrógeno. Para el boro en
el diamante, la máxima deformación se produce en la máxima
solubilidad del boro en el diamante y es del orden de 3 x 10^{-3}.
Esta cantidad de deformación puede traducirse en una tensión del
orden de 3,4 x 10^{9} Pascales lo que es significativo comparado
con las resistencias experimentales al aplastamiento del diamante
de 0,2\rightarrow 2 x 10^{10} Pascales. De este modo, las
tensiones generadas por distribuciones no uniformes de boro en el
diamante pueden ser tan altas como 17% a 170% de la resistencia al
aplastamiento del diamante.
Una segunda fuente de distribución heterogénea de
boro o nitrógeno en un cristal de diamante se produce por cambios en
las condiciones de crecimiento de celda que ocurren durante el
crecimiento de cristal. Los cambios temporales en la presión, la
temperatura, la concentración de impurezas en la fusión y/o en la
velocidad de crecimiento de cristal, pueden cambiar la cantidad de
boro o de nitrógeno incorporado en el cristal en función del
tiempo. Las heterogeneidades que se producen por dichas causas
llevarán a gradientes radiales de concentración de impurezas el
cristal. Las tensiones que se producen por dichos gradientes
radiales de concentraciones sugieren posibles modos de endurecer un
cristal de diamante por cambios adecuados en las condiciones de
crecimiento de celda durante el crecimiento del cristal.
Para conseguir una solución analítica, se
aproxima a la forma de una pelota de fútbol faceteada un cristal de
diamante equiaxiado mediante una esfera de diamante. Esto es
realmente una aproximación razonablemente buena para las partículas
de diamante de la más alta calidad, cuya forma se aproxima a la de
una esfera. Además, considerar en detalle únicamente el caso donde
los gradientes de concentración de impurezas son únicamente una
función de la distancia radial R desde el centro del cristal de
diamante.
El equilibrio mecánico de cualquier pequeño
elemento esférico exige un equilibrio entre las fuerzas
diferenciales radiales sobre las caras opuestas del elemento. Si
\phi es el ángulo subtendido en ambas direcciones tangenciales
por el elemento esférico, \sigma_{r} es la tensión radial,
\sigma_{t} es el esfuerzo tangencial y R es el radio del
elemento esférico, entonces un equilibrio de fuerzas radiales
requiere:
(1)[(R + dR)
d\phi]^{2}\left[\sigma_{r}+\frac{d\sigma_{r}}{dR} dR\right]-
(Rd\phi)^{2}\sigma_{r} =2[R \ d\phi \ dR]
\sigma_{t}d\phi
la cual se reduce a la ecuación 2 a medida que dR
y d\phi tienden a
cero.
(2)\frac{d\sigma_{r}}{dR}+\frac{2(\sigma_{r}-\sigma_{t})}{R}=0
Las deformaciones en el diamante están causadas
por tensiones y por la presencia de impurezas que ocasionan la
expansión o contracción de la red cristalográfica del diamante. La
deformación \varepsilon_{i} causada por una impureza está dada
por:
(3)\varepsilon_{i} =
\alpha
C
donde \alpha es una constante que depende de la
impureza, y C es la concentración atómica de la impureza en la red
cristalográfica. Para el nitrógeno, boro e hidrógeno en el
diamante, \alpha = 0,4, 0,337 y 0,31,
respectivamente.
Las tensiones desarrolladas en el diamante están
relacionadas con las deformaciones por la Ley de Hooke
(4a)\sigma_{r}-
2\nu\sigma_{t}=E(\varepsilon_{r}-\varepsilon_{i})
(4b)\sigma_{t}-\nu(\sigma_{t}+\sigma_{r})=E(\varepsilon_{t}-\varepsilon_{i})
donde \nu es el coeficiente de Poisson, E es el
módulo de Young para el diamante, \varepsilon_{r} es la
deformación radial y \varepsilon_{t} es la deformación
tangencial. La deformación \varepsilon_{i} de impureza en las
ecuaciones 4a y 4b se resta de las deformaciones \varepsilon_{r}
y \varepsilon_{t} elásticas, respectivamente, pues la
deformación de impureza no está sustentada por tensiones elásticas
sino que está generada por cambios en el tamaño de la red
cristalográfica debidos a un átomo de impureza con un tamaño por
exceso o por defecto. El valor comúnmente aceptado del coeficiente
de Poisson para el diamante es de 0,07. El módulo medio de Young de
orientación para el diamante es de 1,143 x 10^{12}
N/m^{2}.
Las ecuaciones 4a y 4b pueden ser resueltas para
las tensiones \sigma_{r} radiales y \sigma_{t}
tangenciales.
(5a)\sigma_{r}=\frac{E}{(1+\nu)(1-2\nu)}[(1-\nu)
\varepsilon_{r}+2 \ \nu \ \varepsilon_{t}-(1+\nu) \ \alpha \
C]
(5b)\sigma_{t}=
\frac{E}{(1+\nu)(1-2\nu)}[\nu \
\varepsilon_{r}+\varepsilon_{t}- (1+\nu) \ \alpha \
C
Las deformaciones radiales \varepsilon_{r} y
tangenciales \varepsilon_{t} pueden ser expresadas en términos
del desplazamiento u radial.
(6a)\varepsilon_{r}=\frac{du}{dR}
(6b)\varepsilon_{t}=\frac{u}{R}
Las ecuaciones 6a y 6b se sustituyen en las
ecuaciones 5a y 5b y, a continuación, en la ecuación 2 para
dar:
(7a)\frac{d^{2}u}{dR^{2}}+\frac{2}{R}
\frac{du}{dR}- \frac{2u}{R^{2}}=\frac{(1+\nu)}{(1-\nu)} \ \alpha \
\frac{dC}{dR}
o
(7b)\frac{d}{dR}\left[\frac{1}{R^{2}}
\frac{d}{dR}(R^{2}u) \right]= \frac{(1+\nu)}{(1-\nu)} \ \alpha \
\frac{dC}{dR}
que es la ecuación de Laplace en coordinadas
esféricas.
La integración de la ecuación 7b da el
desplazamiento u(R):
(8)u(R)=
\frac{(1+\nu)}{(1-\nu)} \ \alpha \
\frac{1}{R^{2}}\int^{R}_{0}C(r)r^{2} \
dr+AR+\frac{B}{R^{2}}
donde A y B son constantes de integración y
C(r) es la concentración de nitrógeno o boro en el diamante
en función del radio. Para una esfera sólida de diamante por
simetría, el desplazamiento u \rightarrow 0 cuando R
\rightarrow 0 de tal forma que B=0. La ecuación 8 puede ser
sustituida de nuevo en las ecuaciones 6a, 6b, 5a y 5b para
encontrar las tensiones radiales y tangenciales en el
diamante.
(9a)\sigma_{r}(R)=-
\frac{(2\alpha E)}{(1-\nu)} \frac{1}{R^{3}}
\int^{R}_{0}C(r)r^{2} \
dr+\frac{EA}{(1-2\nu)}
(9b)\sigma_{t}(R)= \setminus
F(E,(1-) \setminus F(1,R3)
\int^{R}_{0}C(r)r^{2} \
dr+\frac{EA}{(1-2\nu)}- \frac{\alpha
EC(R)}{(1-\nu)}
Las tensiones radiales \sigma_{r} en la
superficie libre externa (\sigma_{r} = 0 en R=S) del diamante
debe ser cero (\sigma_{r} = 0 en R=S) de tal forma que de la
ecuación 9a la constante A resulta que es:
(10)A=\frac{2 \ \alpha \
(1-2\nu)}{(1-\nu)}\frac{1}{S^{3}}\int^{S}_{0}C(r)r^{2}
\
dr
donde S es el radio del diamante. Introduciendo
la constante A en las ecuaciones 9a y 9b
da:
(10a)\sigma_{r}(R)=
\frac{2\alpha E}{(1-\nu)}
\left[\frac{1}{S^{3}}\int^{S}_{0}C(r)r^{2} \ dr-
\frac{1}{R^{3}}\int^{R}_{0}C(r)r^{2} \
dr\right]
(10b)\sigma_{t}(R)=
\frac{\alpha E}{(1-\nu)}
\left[\frac{2}{S^{3}}\int^{S}_{0}C(r)r^{2} \ dr+
\frac{1}{R^{3}}\int^{R}_{0}C(r)r^{2} \
dr-C(r)\right]
La ecuación 10a tiene una interesante
interpretación física. La tensión radial es proporcional a la
diferencia entre la concentración media de impurezas en todo el
diamante (la primera integral de la ecuación 10a) y la concentración
media de impurezas en el diamante dentro del radio R de interés (la
segunda integral de la ecuación 10a). Si la concentración media
dentro de un radio de R es mayor que la concentración media de
impurezas para todo del diamante, la tensión radial será a
compresión para una impureza que expande la red
cristalográfica.
Los tres casos demostrados son una concentración
de impurezas que aumenta radialmente, una concentración de impurezas
que disminuye radialmente y una delgada costra de impurezas. Estas
distribuciones diferentes de impurezas generarán diferentes estados
de tensión en el cristal de diamante y pueden reforzar el
cristal.
El siguiente estudio está relacionado con las
tensiones que se desarrollan en un cristal de diamante con
distribuciones particulares radiales de impurezas.
El primer caso de interés, es donde la
concentración de impurezas disminuye linealmente con el radio, es
decir,
C(r) = Co r/S desde r = 0 hasta r = S. Sustituyendo en las ecuaciones 10a y 10b da:
C(r) = Co r/S desde r = 0 hasta r = S. Sustituyendo en las ecuaciones 10a y 10b da:
(11a)\sigma_{r}(R)=
\frac{\sigma E
Co}{2(1-\nu)}[1-R/S]
(11b)\sigma_{t}(R)=
\frac{\sigma E
Co}{4(1-\nu)}[2-3R/S]
El siguiente es el caso donde \alpha es
positivo; es decir, la impureza ocasiona una expansión de la red
cristalográfica del diamante. La tensión radial es de tracción, es
decir, positiva, y tiene un máximo en el centro del diamante y
disminuye linealmente hasta cero en la superficie del diamante. Los
esfuerzos tangenciales también tienen un máximo en el centro del
diamante y aquí también son de tracción. Sin embargo, a un radio
igual a 2/3 del radio del diamante, los esfuerzos tangenciales
pasan por cero y, a continuación, se convierten en esfuerzos de
compresión, es decir, negativos, y alcanzan un estado de compresión
máximo en la superficie del diamante. Estos esfuerzos tangenciales
de compresión en la superficie del diamante harán que el diamante
sea menos probable que falle en tensión y fracture, y, por lo
tanto, templa el cristal de diamante.
El caso donde la impureza ocasiona una
contracción de la red cristalina del diamante (\alpha < 0)
solo invierte los signos de las tensiones de tal forma que la
tensión radial es a compresión y tiene un máximo absoluto en el
centro y decrece linealmente hasta cero desde el centro hacia la
superficie del diamante. Los esfuerzos tangenciales también son de
compresión y tienen un máximo absoluto en el centro del cristal. A
un radio de 2/3 del radio del diamante, los esfuerzos tangenciales
cambian de compresión de tracción y alcanzan un máximo en la
superficie del diamante. Estos esfuerzos tangenciales de tracción
en la superficie del diamante pueden debilitar el diamante
haciéndolo más susceptible al fallo por tracción y fractura debida
a hendiduras menores.
Las tensiones por cizalla también pueden hacer
que un diamante falle, particularmente a temperaturas más altas,
donde el límite elástico por cizalla disminuye rápidamente con el
aumento de temperatura. La máxima tensión por cizalla
\sigma_{s} en un diamante con un tipo radial de gradiente de
concentración está dado por la mitad de la diferencia entre la
tensión radial \sigma_{r} y el esfuerzo tangencial
\sigma_{t}.
(12)\sigma_{s}(R)=1/2[\sigma_{r}(R)-\sigma_{t}(R)]=
\frac{\varepsilon \ E \ Co}{8(1-
\nu)}R/S
Observe que la tensión por cizalla aumenta con el
radio y alcanza un máximo en la superficie del diamante. El
diamante fallará cuando la tensión por cizalla supere el límite
elástico por cizalla K del diamante, como muestra la figura 3, el
cual depende de la dirección cristalográfica, del plano
cristalográfico y de la temperatura. La concentración de impurezas
y las tensiones radial, de tracción y de cizalla se representan en
función del radio en la figura 5, para el caso donde una impureza
como el boro o el nitrógeno expande la red cristalina del
diamante.
Un segundo caso de interés (que demuestra la
técnica anterior) es donde la concentración de impurezas disminuye
linealmente con el radio, es decir, C(r) = Co
(1-r/S) desde r = 0 hasta r = S. Sustituyendo en las
ecuaciones 10a y 10b da:
(13a)\sigma_{r}(R)=-\frac{\alpha
\ E \
Co}{2(1-\nu)}[1-R/S]
(13b)\sigma_{t}(R)=-\frac{\alpha
\ E \
Co}{4(1-\nu)}[2-3R/S]
El valor absoluto de las tensiones permanece
inalterado y únicamente cambian sus signos respecto del caso
previo. Como el primer término en nuestra expresión de
concentración, C(r) = Co (1-r/S), en
particular Co representa un término de concentración uniforme, no
ocasiona ninguna tensión. Nos quedamos entonces con la expresión
–Co r/S la cual es la misma distribución de concentración que se
usó en el caso previo salvo en el signo.
En el caso usual para el diamante, donde \alpha
es positivo, la impureza ocasiona una expansión de la red
cristalina del diamante. La tensión radial es a compresión, es
decir, negativa, y tiene un máximo en el centro del diamante y
disminuye linealmente hasta cero desde el centro de diamante hasta
la superficie del diamante. Los esfuerzos tangenciales también
tienen un máximo en el centro del diamante y son a compresión aquí.
Sin embargo, a un radio igual a 2/3 del radio del diamante, los
esfuerzos tangenciales pasan por cero y, a continuación, se hacen
esfuerzos de tracción, es decir, positivos, y alcanzan un máximo
absoluto en la superficie del diamante. Estos esfuerzos tangenciales
de tracción en la superficie del diamante hará que sea más probable
que el diamante falle por tracción y debilite el cristal de
diamante haciéndolo más susceptible a fractura.
El caso donde la impureza ocasiona una
contracción de la red cristalina del diamante (\alpha < 0)
solo invierte los signos de las tensiones, de tal forma que la
tensión radial es de tracción y tiene un máximo absoluto en el
centro y decrece linealmente hasta cero desde el centro hacia la
superficie del diamante. Los esfuerzos tangenciales también son de
tracción y tienen un máximo absoluto en el centro del cristal. A un
radio de 2/3 del radio del diamante, los esfuerzos tangenciales
cambian de tracción a compresión y alcanzan un máximo en la
superficie del diamante. Estos esfuerzos tangenciales de tracción en
la superficie del diamante pueden reforzar el diamante haciéndolo
más resistente al fallo de tracción y fractura debida a hendiduras
o fisuras.
Debido a que únicamente se invirtió el signo de
las tensiones radiales y tangenciales invirtiendo la expansión de
impureza respecto de la concentración de impurezas, las tensiones
por cizalla que se obtienen de la diferencia en las tensiones
radiales y tangenciales permanecen las mismas que en el caso previo.
Para el caso de gradiente de concentración que disminuye
radialmente, se representa en la figura 4 (técnica anterior) la
concentración de impurezas y las tensiones radiales, de tracción y
de cizalla en función del radio, para el caso en que una impureza
como el boro o el nitrógeno expande la red cristalina del
diamante.
Un tercer caso de interés es aquel en el cual la
impureza reside en una delgada costra de espesor "x" contigua
a la superficie externa del diamante. Se podría producir un caso
como este si los diamantes estuvieran expuestos a boro, nitrógeno o
hidrógeno a una temperatura elevada de tal forma que el boro,
nitrógeno o hidrógeno se difundieran en una delgada costra externa
del cristal de diamante. Análogamente, si los diamantes estuvieran
expuestos a un plasma de alta energía que contuviera hidrógeno,
nitrógeno o boro estas impurezas se podrían haber implantado en una
delgada costra contigua a la superficie exterior del diamante.
La distribución de impurezas podría ser descrita
matemáticamente como sigue: para 0 < R < (S - x), C = 0; para
(S - x) < R < S, C= Co donde x tiene el espesor de la costra.
Sustituyendo en las ecuaciones 10a y 10b da para la condición de
una costra delgada, por ejemplo, x << S:
(14a)\sigma_{r}(R)=\frac{2 \
\alpha \ E \ Co}{(1-\nu)}[x/S]
\hskip1cm: R <(S – x); x << S
(14b)\sigma_{r}(S)=
0
\hskip1cm: R = S
(14c)\sigma_{t}(R)=\frac{2 \
\alpha \ E \ Co}{(1-\nu)}[x/S]: R<(S x),
x<<S
(14d)\sigma_{t}(R)=-
\frac{\alpha \ E \ Co}{(1-\nu)}[1-3x/S]:
R=S,
x<<S
En el caso de que \alpha fuera positiva, es
decir, que la impureza ocasione una expansión de la red cristalina
del diamante, la tensión radial es una pequeña tensión de tracción
constante en la zona interior del diamante la cual carece de
impurezas. La tensión radial disminuye rápidamente a medida que la
costra externa de impurezas es traspasada y cae a cero sobre la
superficie del diamante como se esperaba. Los esfuerzos
tangenciales también son pequeñas tensiones de tracción en la zona
sin impurezas dentro del diamante. Sin embargo, los esfuerzos
tangenciales cambian a grandes tensiones de compresión sobre la
superficie del diamante. Este estado de tensión a compresión sobre
la superficie del diamante hará que el diamante sea más resistente
al fallo de tracción y a la fractura y templará, por lo tanto, y
reforzará el diamante. La figura 6 muestra el perfil de
concentración de impureza para un cristal de diamante con una
delgada costra de impurezas en su superficie externa.
El caso en el que la impureza ocasiona una
contracción de la red cristalina del diamante (\alpha < 0)
sólo invierte los signos de las tensiones. El caso en el que un
diamante que contiene un nivel uniforme de impureza tiene una
delgada costra desprovista de impurezas contigua a la superficie
externa (quizá por difusión externa de la impureza tras el
crecimiento de cristal) hubiera tenido los mismos valores absolutos
de tensión que las ecuaciones 14a-14d pero los
signos de todas las tensiones se hubieran invertido.
Las tensiones por cizalla \sigma_{S}
generadas por una costra delgada de impurezas se dan por las
diferencias entre las tensiones radiales y los esfuerzos
tangenciales en el diamante:
(15a)\sigma S(R)=0
\hskip1cm: R < (S - x); x<<S
(15b)\sigma_{S}(R)=\frac{|\alpha|
\ E \ Co}{2(1-\nu)}[1-3x/S]: R=S,
x<<S
Las tensiones por cizalla son cero dentro de la
región carente de impurezas allí donde existe un estado de tensión
hidrostática pura. Al pasar a través de la delgada costra esférica
de impurezas, las tensiones por cizalla ascienden hasta un máximo
en la superficie del diamante.
La velocidad de crecimiento lineal del cristal
normalmente disminuye durante el transcurso del crecimiento, y las
impurezas en el crecimiento medio normalmente se incorporan en el
diamante a lo largo de la ejecución. En un procedimiento de esta
invención, usando el procedimiento de alta presión alta temperatura
(HPHT) para fabricar cristales de diamante, una fuente de boro en
polvo, tal como carburo de boro (B_{4}C), nitruro de boro (BN) o
boro elemental, está encapsulada por carbono y se añade a la celda
de crecimiento. La encapsulación de la fuente en polvo de boro se
consigue mediante CVD a través de pirólisis de metano;
revestimiento con grafito coloidal y secado; deposición catódica; o
similar. Durante las etapas iniciales de crecimiento del diamante
en HPHT, ningún boro está disponible para el crecimiento de
cristales de diamante. A medida que continúa el crecimiento, el
revestimiento de carbono se disuelve en el
disolvente-catalizador metálico, exponiendo,
eventualmente, la fuente de boro. En este punto el boro comienza a
disolverse en el disolvente-catalizador y se
incorpora en la parte externa de los cristales de diamante. El nivel
de boro y el espesor de la capa dopada con boro pueden ser
controlados variando la concentración y el tamaño de las partículas
que contienen boro dentro del medio de crecimiento y del espesor de
la capa de carbono.
Otro procedimiento es usar una fuente de
nitrógeno que encapsula carbono, tal como FexN, para producir
cristales con un gradiente positivo de concentración radial de
nitrógeno. Si se desea, el nivel de nitrógeno en la parte central de
los cristales puede ser reducido por medio de un absorbente
metálico en el medio de crecimiento, un núcleo de baja porosidad, o
por exclusión de aire de la celda de crecimiento inmediatamente
antes del crecimiento.
Otro procedimiento alternativo de la invención
implica la deposición de una capa rica en boro o nitrógeno sobre
cristales de diamante no dopados o ligeramente dopados que han
crecido normalmente. Esto podría realizarse usando los cristales
sin dopar como semillas en una segunda corrida HPHT, donde el
suficiente boro, nitrógeno o boro y nitrógeno está presente en el
medio de crecimiento para producir una capa dopada epitaxial sobre
el cristal. Esta opción precisa una segunda corrida de crecimiento.
Sin embargo, como únicamente se necesita una capa delgada de
espesor de 0,5 a 50 micrómetros, el número de cristales de diamante
en la celda podrían ser mayor que el normal.
Aún otro procedimiento de la invención implica
permitir que el boro, nitrógeno, o hidrógeno se difundan en los
cristales de diamante. Otras impurezas pueden ser difundidas, tales
como oxígeno, litio, sodio, fósforo, aluminio, níquel, cobalto o
una mezcla de las mismas. La concentración de impurezas estaría
entre 10-10.000 partes por millón en profundidades
en la superficie del diamante entre 0,25-50
micrómetros. Una profundidad preferida es de 0,25-10
micrómetros. Las impurezas pueden ser difundidas por medio de
exposición a un plasma que contiene hidrógeno y/o nitrógeno y boro
que contiene gases. Se informa de que la longitud de difusión de
posiciones vacantes en el diamante es de aproximadamente 100
micrones en 1.100ºC para un tiempo de recocido de una semana. La
difusión del boro o del nitrógeno puede ser más lenta, pero sin
embargo lo suficientemente rápida para conseguir el refuerzo de los
cristales de diamante sobre una escala de tiempos razonable. La
presencia de hidrógeno en la fase gaseosa puede ayudar a
estabilizar los cristales de diamante y permite extender el
tratamiento a temperaturas por encima de 1.000ºC sin grafitización
significativa.
Otros procedimientos para difundir átomos en el
diamante serían por exposición a un gas que contiene los átomos de
impureza, tales como hidrógeno, boro o nitrógeno, a temperaturas
entre 700-1.400ºC durante un período de 10 segundos
hasta 100 horas. Aún otro medio para difundir átomos de impureza en
la superficie del diamante es revestir la superficie del cristal de
diamante con una película sólida o líquida que contenga hidrógeno,
boro o nitrógeno, y, a continuación, calentar tratando los cristales
revestidos a una temperatura entre 700-1.400ºC
durante una cantidad suficiente de tiempo para difundir los átomos
de impureza en la superficie externa de diamante. Este período de
tiempo es de 10 segundos a 100 horas.
En un procedimiento alternativo, los cristales
sin dopar o ligeramente dopados pueden ser colocados en un reactor
de CVD (deposición química de vapor), y una capa dopada epitaxial
crecida por adición de gas que contiene boro o nitrógeno hasta la
materia prima de alimentación normal del reactante, típicamente
hidrógeno, metano y oxígeno. La deposición en una temperatura de
sustrato, inferior a o aproximadamente igual a 740ºC añadiría una
tensión adicional a compresión intrínseca a la capa de diamante
dopada, y podría realizar el propósito de esta invención incluso en
la ausencia de dopado. La película de diamante dopado tiene un
espesor de aproximadamente 0,25-50 micrómetros de
espesor y la concentración de la impureza dopada en la capa externa
es superior a 10-10.000 partes por millón de la
concentración de las impurezas en la parte más externa del cristal
de diamante que subyace.
Un modo por el cual las condiciones de
crecimiento del cristal pueden generar tensiones en un cristal de
diamante es el caso en el que la presión y la temperatura en la
celda varían con el tiempo. Si se controlara de una forma adecuada,
dichas condiciones variantes pueden producir gradientes positivos de
concentración radial de impurezas en el cristal de diamante. Por
impurezas como el boro, nitrógeno o hidrógeno que expanden la red
cristalina del diamante, gradientes positivos radiales producirán un
estado de tensión a compresión en la superficie del diamante que
templará el diamante y le hará más resistente a la fractura a
tensión. Además, aumentando la velocidad de crecimiento del cristal
de diamante como una función del radio (tiempo), habrá un aumento en
la incorporación de la concentración de impurezas en el diamante.
Además, aumentando con tiempo la concentración de impurezas en la
fusión, habrá un aumento de concentración de impurezas en función
del radio.
Aún otro procedimiento para conseguir el cristal
de diamante con un CFS aumentado de esta invención es producir un
aumento de volumen cerca de la superficie exterior de los cristales
de diamante que han crecido mediante el procedimiento alta presión
alta temperatura (HPHT). Esto se puede realizar mediante daño por
radiación por medio de bombardeo de iones o de electrones. El daño
por radiación causa el aumento de volumen de la red cristalina del
diamante debido a los intersticios y a las posiciones vacantes, allí
donde los átomos intersticiales podrían ser tanto átomos de carbono
como un átomo de impureza o una combinación de los mismos. Esta
delgada costra de impurezas que expanden la red cristalográfica
generará un estado de tensión a compresión en la superficie del
cristal de diamante y le hará más resistente a la fractura. En
cambio, al refuerzo provisto por los gradientes radiales, la
protección procedente de esta delgada costra de compresión
desaparece una vez que la delgada costra ha penetrado por abrasión
del cristal durante el uso. Un cristal de diamante
3-D cuya superficie se ha implantada por ion o
sometida a daños por radiación puede tener un átomo de impureza,
intersticial, y concentración de posiciones vacantes en el
intervalo de 1-10.000 partes por millón.
Otros procedimientos para dopar impurezas en la
superficie más externa del cristal de diamante incluye impurezas
depositadas en una capa por crecimiento hidrotérmico, crecimiento
electromecánico, crecimiento de fuente sólida en fase líquida o
crecimiento de sal fundida.
La Tabla 1, de muestra la invención y el impacto
de concentraciones de impureza de nitrógeno, boro e hidrógeno sobre
la resistencia a fractura por compresión (CFS) para un cristal de
diamante en su superficie más exterior.
| Impureza | Concentración | Esfuerzo tangencial | Esfuerzo tangencial | % aumento | % aumento |
| máxima | máximo graduado | máximo capa | de resistencia | de resistencia | |
| (p.p.m.) | (Megapascales) | delgada | mecánica | mecánica | |
| (Megapascales) | graduada | capa delgada | |||
| Nitrógeno | 1.000 | 123 | 492 | 7,7% | 30,8% |
| Boro | 10.000 | 1040 | 4150 | 63% | 259% |
| Hidrógeno | 10.000 | 95 | 381 | 5,9% | 23,8% |
Resistencia de diamante 40/45 NBS - 1,6
Gigapascales (10^{9} Pascales)
Eo = 1,143 x 10^{12} Pascales
\alphaN = 0,4
\alpha\beta = 0,337
\alphaH = 0,31
1-\nu = 0,07
Eo / (1-\nu) = 123 x 10^{12}
Pascales
Eo / 4 (1-\nu) = 3,07 x
10^{12} Pascales
Los siguientes ejemplos sirven, además, para
ilustrar la invención.
Los materiales de partida fueron cristales
comerciales MBS 970 Superabrasivos GE (producto de General Electric
Company) en tamaño de malla 45/50, que han crecido de acuerdo con
el procedimiento HPHT, conocido para aquellos expertos en la
técnica. La distribución de nitrógeno en los cristales sin tratar,
muestra un esfuerzo tangencial de tracción en la superficie de
aproximadamente 50 MPa, que debilita los cristales. Se midió la
resistencia a la fractura por compresión (CFS) de los cristales sin
tratar por aparato triturador de rodillo de 28,8 kg.
La concentración de nitrógeno (N) se midió como
4,2 p.p.m. sobre la faceta (100) de cristal por espectrometría de
masas de ion secundario (SIMS) (no es un valor absoluto). La
concentración de nitrógeno (N) se midió como 29,5 p.p.m. sobre la
faceta (111) del cristal por SIMS (no es un valor absoluto). Las
señales SIMS se convirtieron en concentraciones usando estándares de
diamante implantados por ion. Sin embargo, la implantación por ion
ocasiona daños a la red cristalográfica y posiblemente afecta la
sensitividad. La comparación de los datos SIMS con las
concentraciones de nitrógeno determinadas por análisis de combustión
(LECO) de todos los cristales indica que las concentraciones
determinadas por SIMS son demasiado bajas en un factor de
2-4.
Los cristales de diamante se colocaron, a
continuación, sobre un sustrato dentro de un reactor (CVD) de
deposición de vapor químico de plasma por microondas. El caudal fue
de 1.000 sccm hidrógeno (H2), 5 sccm metano, 10 sccm nitrógeno (N2).
La presión fue de aproximadamente 9.33 kPa, la temperatura de
sustrato estaba entre aproximadamente 700-750ºC y
la potencia de microondas era aproximadamente de 3 kilovatios. Los
cristales de diamante se revistieron durante 3 horas. El
crecimiento del revestido se interrumpió para rodar los cristales
alrededor y, a continuación, se repitió la deposición durante otras
3 horas para conseguir un revestido uniforme.
El espesor de la capa de diamante CVD dopada con
nitrógeno fue de aproximadamente 5 micrómetros. La resistencia a la
fractura por compresión (CFS) de los cristales revestidos se midió
por un aparato triturador de rodillo en 29,9 kg, un aumento de un
3,8%. La concentración de nitrógeno en la capa de diamante sobre la
faceta (100) de los cristales revestidos se midió por SIMS en 62,5
p.p.m. (no es un valor absoluto). La concentración de nitrógeno (N)
sobre la faceta (111) de los cristales revestidos se midió por SIMS
como 79,5.
Usando las concentraciones medias de superficie
medidas por SIMS, el modelo teórico de la presente invención
predice que el revestido generó un esfuerzo tangencial de
compresión de 26,6 MPa, ocasionando un aumento en la resistencia a
fractura de 1,7%. Sin embargo, el escalado de las concentraciones de
nitrógeno en superficie determinado por SIMS por un factor de
2-4, como de mención en lo que antecede, predeciría
un aumento de resistencia de 3,4-6,8% en un acuerdo
excelente con el valor medido de 3,8%.
Marcas de viruela, rugosidad superficial (véase
las figuras 7 y 8), desigualdades de la capa revestida (véase
también la figura 9) da, de algún modo, un refuerzo menor que el
calculado.
Los materiales de partida fueron cristales
comerciales MBS 970 Superabrasivos GE (producto de General Electric
Company) en tamaño de malla 45/50, que han crecido de acuerdo con
el procedimiento HPHT, conocido para aquellos expertos en la
técnica. La distribución de nitrógeno en los cristales sin tratar
muestra un esfuerzo tangencial de tracción en la superficie de
aproximadamente 50 MPa, que debilita los cristales. Se midió la
resistencia a la fractura por compresión (CFS) de los cristales sin
tratar por aparato triturador de rodillo de 32,0 kg.
Los cristales de diamante se colocaron, a
continuación, sobre un sustrato dentro de un reactor (CVD) de
deposición de vapor químico de plasma por microondas. El caudal fue
de 900 sccm hidrógeno (H2). La presión fue de aproximadamente 100
torr, la temperatura de sustrato estaba entre aproximadamente
700-900ºC y la potencia de microondas era
aproximadamente de 3 kilovatios. Los cristales de diamante
estuvieron expuestos al plasma de hidrógeno durante 2 horas. El
procedimiento de plasma de hidrógeno se interrumpió para rodar los
cristales alrededor y, a continuación, se repitió el procedimiento
de plasma de hidrógeno dos veces durante 2 horas adicionales cada
vez para conseguir una exposición uniforme de los cristales al
plasma de hidrógeno.
Se midió la resistencia a la fractura por
compresión (CFS) de cristales revestidos por aparatos triturador de
rodillo de 34,3 kg un aumento del 7,2%.
En función de informes publicados de
incorporación de hidrógeno en el diamante por medio de tratamientos
de plasma de hidrógeno [M.I. Landstrass y colaboradores, Appl.
Phys. Lett, 55, 975 (1989); T. Maki y colaboradores, Jpn, J. Appl.
Appl. Phys. 31, L1446 (1992); G. Popovici y colaboradores, J. Appl.
Phys. 77, 5103 (1995)], la concentración de hidrógeno superficial se
estima ser tan alta como 1.000 p.p.m. El modelo teórico de la
presente invención predice el sorprendente resultado que en los
átomos de hidrógeno difundidos en el interior generarán un esfuerzo
tangencial de compresión tal alta como 380 MPa, ocasionando un
aumento en la resistencia a la fractura de 24%. el aumento
observado en la resistencia está bastante dentro de este rango.
Claims (13)
1. Un cristal de diamante obtenido mediante un
procedimiento de alta temperatura y alta presión el cual comprende
un cristal de diamante dopado con un elemento que tiene una
resistencia mejorada a la fractura por compresión con un gradiente
positivo de concentración de elemento dopante cerca de la superficie
del cristal de diamante, donde la concentración de elemento dopante
en el cristal de diamante está dentro de los
0,25-50 micrómetros más externos del cristal de
diamante en una cantidad de 10-10.000 partes por
millón, y el mencionado elemento dopante ocasiona una expansión de
la red cristalina del diamante, que genera esfuerzos tangenciales de
compresión en la superficie del cristal de diamante.
2. Un cristal de diamante según la reivindicación
1, en el que los elementos dopantes están seleccionados de entre el
grupo constituido por boro, nitrógeno, hidrógeno, litio, níquel,
cobalto, sodio, potasio, aluminio, fósforo, oxígeno y mezclas de los
mismos.
3. Un cristal de diamante según la reivindicación
1, en el que hay impurezas que incluyen intersticios, intersticios
de carbono y posiciones vacantes en el cristal.
4. Un cristal de diamante según la reivindicación
1, en el que la concentración de impurezas del elemento dopante
aumenta entre el centro y la superficie del cristal de
diamante.
5. Un cristal de diamante según la reivindicación
1, en forma de un cristal de diamante facetado en tres dimensiones
que tiene un diámetro de hasta dos centímetros, inclusive;
conteniendo impurezas donde las mencionadas impurezas tienen una
mayor concentración hacia o cerca de la superficie más externa del
mencionado cristal que en el centro del mencionado cristal, de tal
forma que la mencionada concentración de impurezas aumenta como
función de un radio dentro del mencionado cristal; y un esfuerzo
tangencial de compresión en una superficie del mencionado cristal
de hasta 5.000 megapascales, inclusive.
6. Un cristal de diamante faceteado en tres
dimensiones según la reivindicación 5, que tiene una película
revestida de diamante dopado de 0,25-50 micrómetros
de espesor sobre una superficie exterior del mencionado cristal de
diamante, en donde una concentración de impurezas en la película
revestida está presente en una cantidad superior a
10-10.000 partes por millón que la concentración de
impurezas en la superficie exterior del mencionado cristal de
diamante subyacente.
7. Un cristal de diamante faceteado en tres
dimensiones según la reivindicación 5, con una superficie que ha
experimentado implantación de iones o tratamiento de radiación tal
que la concentración de impurezas está en un intervalo de
10-10.000 partes por millón.
8. Un cristal de diamante faceteado en tres
dimensiones según la reivindicación 5, caracterizado por un
intervalo de esfuerzos tangenciales de compresión superpuestos de
10-5.000 Megapascales sobre esfuerzos tangenciales
de tensión preexistentes en el mencionado cristal de diamante.
9. Un procedimiento para fabricar un cristal de
diamante que tiene un esfuerzo tangencial de compresión sobre una
superficie de hasta 5.000 Megapascales y que tiene un gradiente
positivo de concentración de elemento dopante cerca de la
superficie del diamante, que comprende las etapas de:
hacer crecer un cristal de diamante
tridimensional por un procedimiento de alta temperatura y alta
presión que tiene impurezas que enriquecen una superficie exterior
del mencionado cristal en una concentración que es de
10-10.000 partes por millón a una profundidad desde
la superficie externa de unos 0,25-50 micrómetros y
un diámetro de hasta dos centímetros.
10. Un procedimiento para producir un diamante
que tiene una resistencia mejorada a la fractura por esfuerzos de
compresión y que tiene un gradiente positivo de concentración de
elemento dopante cerca de la superficie del diamante que comprende
las etapas de:
formar un cristal de diamante faceteado en tres
dimensiones, con un diámetro de hasta dos centímetros mediante un
procedimiento de alta temperatura y alta presión, y
depositar impurezas en una superficie más alejada
del mencionado cristal de diamante hasta una profundidad entre
0,25-50 micrómetros de la mencionada superficie en
una cantidad de 10-10.000 partes por millón para
producir esfuerzo tangencial de compresión de hasta 5.000
megapascales, inclusive, sobre al menos una faceta del mencionado
cristal.
11. Un procedimiento para producir un diamante
que tiene una resistencia mejorada a la fractura por esfuerzos de
compresión según la reivindicación 10, en el que la radiación
produce un aumento de volumen de la superficie más alejada del
mencionado diamante por bombardeo de iones o de electrones para
proporcionar intersticios, intersticios de carbono y posiciones
vacantes.
12. Un procedimiento para producir un diamante
que tiene una resistencia mejorada a la fractura por esfuerzos de
compresión según la reivindicación 10, en el que el cristal de
diamante se hace crecer por un procedimiento de alta presión y alta
temperatura y el mencionado diamante se hace crecer adicionalmente
una segunda vez con el procedimiento de alta presión y alta
temperatura para depositar una capa de diamante dopado con impurezas
en una superficie más externa.
13. Un procedimiento para producir un diamante
que tiene una resistencia mejorada a la fractura por esfuerzos de
compresión según la reivindicación 10, en el que las mencionadas
impurezas se depositan en una capa por crecimiento hidrotérmico,
crecimiento electroquímico, crecimiento de fuente sólida en fase
líquida o crecimiento de sal fundida.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP97305317A EP0892092B1 (en) | 1997-07-16 | 1997-07-16 | Surface enriched diamond |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2208830T3 true ES2208830T3 (es) | 2004-06-16 |
Family
ID=8229422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES97305317T Expired - Lifetime ES2208830T3 (es) | 1997-07-16 | 1997-07-16 | Diamante con superficie enriquecida. |
Country Status (3)
| Country | Link |
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| ES (1) | ES2208830T3 (es) |
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-
1997
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- 1997-07-16 EP EP97305317A patent/EP0892092B1/en not_active Expired - Lifetime
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