JP2008512342A - 極超靭性cvd単結晶ダイヤモンドおよびその三次元成長 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、2004年9月10日に提出されたProvisional Application No.60/608,516の利益を請求する。
本発明は、国立科学財団による認可番号EAR−0135626および米国エネルギー省による権利番号DE−FC03−03NA00144の下で、米国政府支援によって行われた。米国政府は本発明におけるいくつかの権利を有する。
i)ダイヤモンドの成長表面での温度勾配を最小限にするために、高い融点および高い熱伝導率を有する材料より成るヒートシンクホルダ内に種ダイヤモンドを配置するステップと;
ii)成長するダイヤモンド結晶の温度が約1050〜1200℃の範囲であるように、ダイヤモンドの成長表面の温度を制御するステップと;
iii)雰囲気(atmosphere)が約4% N2/CH4の窒素対メタン比を含む析出チャンバ内でダイヤモンドの成長表面にて、マイクロ波プラズマ化学気相析出によって単結晶ダイヤモンドを成長させるステップと;
iv)アニーリング済み(annealed)の単結晶ダイヤモンドが少なくとも約30MPa m1/2の靭性を有するように、単結晶ダイヤモンドをアニーリングするステップと;
を含む方法に関する。
i)単結晶ダイヤモンド基材の第1の<100>面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップと;
ii)その上に成長した単結晶ダイヤモンドと共に前記単結晶ダイヤモンド基材を再配置するするステップと;
iii)前記単結晶ダイヤモンド基材の第2の<100>面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップと;
を含むプロセスに関する。
i)ダイヤモンドの成長表面での温度勾配を最小限にするために、高い融点および高い熱伝導率を有する材料より成るヒートシンクホルダ内に種ダイヤモンドを配置するステップと;
ii)成長するダイヤモンド結晶の温度が約1050〜1200℃の範囲であるように、ダイヤモンドの成長表面の温度を制御するステップと;
iii)雰囲気が約4% N2/CH4の窒素対メタン比を含む析出チャンバ内でダイヤモンドの成長表面にて、マイクロ波プラズマ化学気相析出によって単結晶ダイヤモンドを成長させるステップと;
iv)アニーリング済みの単結晶ダイヤモンドが少なくとも約30MPa m1/2の靭性を有するように、単結晶ダイヤモンドをアニーリングするステップと;
を含む方法を含む。
別の実施形態において、上述の方法は、硬度が約100〜約160GPaであるように、約5〜約7GPaを超える圧力および約2000℃〜約2700℃の温度にて単結晶ダイヤモンドをアニーリングすることをさらに含む。なお別の実施形態において、アニーリング前の単結晶ダイヤモンドは実質的に無色である。
i)単結晶ダイヤモンド基材の第1の<100>面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップと;
ii)その上に成長した単結晶ダイヤモンドと共に単結晶ダイヤモンド基材を再配置するするステップと;
iii)単結晶ダイヤモンド基材の第2の<100>面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップと;
を含むプロセスを含む。単結晶CVDダイヤモンドを三次元で生成するための別の実施形態において、析出温度(deposition temperature)は約1150℃〜約1250℃である。別の実施形態において、生成された三次元ダイヤモンドは約1立方インチを超える大きさである。
a.)耐摩耗性材料−これに限定されるわけではないが、水/流体ジェットノズル、かみそり、外科用ブレード、ミクロトーン(microtone)、硬度圧子(hardness indentor)、グラフィカルツール、グレーバー(stichels)、リソグラフ部品の修理に使用する器具、ミサイルレードーム、超高速機械で使用されるものを含むベアリング、ダイヤモンド−生体分子器具、ミクロトーム、および硬度圧子を含む;
b.)光学部品−これに限定されるわけではないが、光学ウィンドウ、リフレクタ、レンズ、グレーティング、エタロン、アルファ粒子検出器、およびプリズムを含む;
c.)電子機器−これに限定されるわけではないが、マイクロチャネル冷却アセンブリ;半導体部品用高純度SC−CVDダイヤモンド、半導体部品用の不純物ドーピングSC−CVDを含む;
d.)高圧装置のアンビル−これに限定されるわけではないが、複数の光学、電気、磁気および音響センサで使用できる"Khvostantsev"または"Paris-Edinburgh"トロイド形状アンビル;比較的大型であり、可変長を有し、優角を含むBridgmanアンビル[15];マルチアンビル、Drickamerセル、ベルト装置、ピストン−シリンダ装置;レーザまたは磁気ショック波試験用予備圧縮サンプル;水素および他の用途の無色スムーズコーティング、レーザまたは磁気ショックのための予備圧縮サンプル用装置を含む;
e.)容器−これに限定されるわけではないが、相互に連結して容器を形成できる、6個のエッジ{100}プレート状ダイヤモンド(plated diamond)、真空気密容器を形成するためにさらに利用できるCVDダイヤモンドコーティングを含む;
f.)レーザ源−これに限定されるわけではないが、安定H3中心(窒素凝集、N−V中心、Si中心、または他のドーパントを形成するための、アニーリングSC−CVDダイヤモンド;
g.)超電導体および導電性ダイヤモンド−これに限定されるわけではないが、H、Li、N、Mg、または炭素のサイズに近づくサイズを有する他の低原子量元素などの不純物を用いて成長させたSC−CVDダイヤモンドを用いたHPHTアニーリングを含む;
h.)他のCVDダイヤモンド成長のための基材−CVD成長のためにCVDプレートを基材として使用することは、天然またはHPT基材よりも、大きなサイズおよび靭性で利点を有する(成長中のひび割れを回避するため)。
Claims (29)
- 少なくとも約30MPa m1/2の靭性を有するマイクロ波プラズマ化学気相析出によって成長させた単結晶ダイヤモンド。
- 靭性が少なくとも約35MPa m1/2である、請求項1に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 靭性が少なくとも約40MPa m1/2である、請求項2に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 硬度が約100〜約160GPaである、請求項1に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 硬度がHν=1.854×P/D2の式によって決定され、式中、Pは単結晶ダイヤモンドへ圧痕を形成するために圧子に使用される最大荷重であり、Dは圧子によって単結晶ダイヤモンド内に形成された最長ひび割れの長さであり、hは単結晶ダイヤモンド内への圧痕の深さである、請求項4に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 単結晶ダイヤモンドの破壊靭性KcがKc=(0.016±0.004)(E/Hν)1/2(P/C3/2)の式によって決定され、式中、Eはダイヤモンドのヤング率であり、dは単結晶ダイヤモンド内の圧痕空洞の平均長であり、cは単結晶ダイヤモンド内の径方向ひび割れの平均長である、請求項4に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 極超靭性単結晶ダイヤモンドを成長させる方法であって:
i)ダイヤモンドの成長表面での温度勾配を最小限にするために、高い融点および高い熱伝導率を有する材料より成るヒートシンクホルダ内に種ダイヤモンドを配置するステップと;
ii)成長するダイヤモンド結晶の温度が約1050〜1200℃の範囲であるように、ダイヤモンドの成長表面の温度を制御するステップと;
iii)雰囲気が約4% N2/CH4の窒素対メタン比を含む析出チャンバ内でダイヤモンドの成長表面にて、マイクロ波プラズマ化学気相析出によって単結晶ダイヤモンドを成長させるステップと;
iv)アニーリング済みの単結晶ダイヤモンドが少なくとも約30MPa m1/2の靭性を有するように、単結晶ダイヤモンドをアニーリングするステップと;
を含む方法。 - ステップiv)が、硬度が約100〜約160GPaであるように、約5〜約7GPaを超える圧力および約2000℃〜約2700℃の温度にて単結晶ダイヤモンドをアニーリングすることを含む、請求項7に記載の方法。
- アニーリング前の単結晶ダイヤモンドが実質的に無色である、請求項7に記載の方法。
- 単結晶ダイヤモンド基材上に単結晶CVDダイヤモンドを三次元で生成させるプロセスであって:
i)単結晶ダイヤモンド基材の第1の<100>面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップと;
ii)その上に成長した単結晶ダイヤモンドと共に前記単結晶ダイヤモンド基材を再配置するするステップと;
iii)前記単結晶ダイヤモンド基材の第2の<100>面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップと;
を含むプロセス。 - 析出温度が約1150℃〜約1250℃である、請求項10に記載のプロセス。
- 生成された前記三次元ダイヤモンドが約1立方インチよりも大きい、請求項10に記載のプロセス。
- 請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドを含むノズル。
- 請求項10に記載のプロセスによって生成された単結晶CVDダイヤモンドを含むノズル。
- ノズルが高圧水噴射切断装置で使用される、請求項13に記載のノズル。
- 請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドを含む刃先を含む、外科器具用切刃。
- 請求項10に記載のプロセスによって生成された単結晶CVDダイヤモンドを含む刃先を含む、外科器具用切刃。
- 請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドを含む刃先を含む、かみそり。
- 請求項10に記載のプロセスによって生成された単結晶CVDダイヤモンドを含む刃先を含む、かみそり。
- 請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドを含む、伸線ダイ。
- 請求項10に記載のプロセスによって生成された単結晶CVDダイヤモンドを含む、伸線ダイ。
- 請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドを含む、ベアリング。
- 請求項10に記載のプロセスによって生成された単結晶CVDダイヤモンドを含む、ベアリング。
- 請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドを含む、ダイヤモンドアンビル。
- 請求項10に記載のプロセスによって生成された単結晶CVDダイヤモンドを含む、ダイヤモンドアンビル。
- 請求項1の単結晶ダイヤモンドを含む、宝石。
- 請求項10に記載のプロセスによって生成された単結晶CVDダイヤモンドを含む、宝石。
- 請求項1の単結晶ダイヤモンドを含む、光学部品。
- 請求項10に記載のプロセスによって生成された単結晶CVDダイヤモンドを含む、光学部品。
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