RU2042748C1 - Diamond synthesis method - Google Patents

Abstract

FIELD: production of synthetic diamonds of special purity and perfect structure (metal and nitrogen free), which may be used in microelectronics and laser equipment. SUBSTANCE: method involves using redox reactions of mutual neutralization of electrically negative atoms C^-n of hydrogen and electrically positive atoms C⁺ⁿ of hydrogen in the mixtures of its simple water-soluble organic aliphatic compositions. Interaction between them in aqueous solutions results in polycondensation. EFFECT: increased efficiency and simplified accomplishment of diamond synthesis method.

Description

Изобретение относится к способам получения алмазов, имеющих большое народнохозяйственное значение. Алмаз по своим природным свойствам является практически идеальным высокотемпературным полупроводником, мощным твердотельным лазером, высокочувствительным счетчиком в сложных дозиметрических устройствах и т.д. The invention relates to methods for producing diamonds of great economic importance. By its natural properties, diamond is an almost ideal high-temperature semiconductor, a powerful solid-state laser, a highly sensitive counter in complex dosimetric devices, etc.

Во всех странах мира, производящих синтетические алмазы, промышленное производство алмазных кристаллов (до 7 мм, 5 каратов) основано на использовании спонтанной кристаллизации алмазов из расплавов металлов, содержащих растворенный углерод, при высоких статических давлениях 40-70 кБар и очень высоких температурах 1500-2000^оС.In all countries of the world producing synthetic diamonds, the industrial production of diamond crystals (up to 7 mm, 5 carats) is based on the use of spontaneous crystallization of diamonds from molten metals containing dissolved carbon at high static pressures of 40-70 kbar and very high temperatures of 1500-2000 ^about S.

Все известные варианты промышленной технологии синтеза кристаллов алмаза из расплавов металлов являются трудоемкими, дорогостоящими, малопроизводительными и не позволяют получать крупные (5-15 и более каратов) монокристаллы алмаза, не говоря уже о синтезе высококачественных монокристаллов алмаза с заданными свойствами. All known variants of industrial technology for the synthesis of diamond crystals from metal melts are laborious, expensive, inefficient and do not allow to obtain large (5-15 or more carats) diamond single crystals, not to mention the synthesis of high-quality diamond single crystals with desired properties.

Поскольку выращивание алмазов из расплавов металлов приводит к их существенной "металлизации" и, как следствие, потере ценных полупроводниковых свойств, данная технология в принципе не пригодна для получения кристаллов алмаза, удовлетворяющих высоким требованиям, предъявляемым к чистоте и полупроводниковым свойствам монокристаллов, предназначенных для использования в таких приоритетных областях промышленности, как атомная энергетика, лазерная техника, полупроводниковая микроэлектроника и т.д. Since the cultivation of diamonds from metal melts leads to their significant “metallization” and, as a result, to the loss of valuable semiconductor properties, this technology is in principle unsuitable for producing diamond crystals that meet the high requirements for the purity and semiconductor properties of single crystals intended for use in such priority areas of industry as nuclear energy, laser technology, semiconductor microelectronics, etc.

Процессы природного алмазообразования приводят к формированию крупных монокристаллов алмаза: от 44 до 3106 каратов (от 8,8 до 621,2 г). Однако природные алмазы, как правило, содержать в своей структуре значительную примесь азота, что также обусловливает существенное снижение их полупроводниковых свойств. The processes of natural diamond formation lead to the formation of large single crystals of diamond: from 44 to 3106 carats (from 8.8 to 621.2 g). However, natural diamonds, as a rule, contain a significant admixture of nitrogen in their structure, which also leads to a significant decrease in their semiconductor properties.

В связи с этим актуальна проблема создания новых нетрадиционных технологий, обеспечивающих получение кристаллов алмаза особой чистоты безметалльных и безазотных. In this regard, the urgent problem is the creation of new non-traditional technologies that provide diamond crystals of high purity non-metal and nitrogen-free.

Экспериментальным путем установлено, что по аналогии с природным процессом алмазообразования при промышленном синтезе алмаза в качестве основной химически активной конденсированной среды, в которой протекает алмазообразующие реакции, может быть использована вода. It was established experimentally that, by analogy with the natural process of diamond formation during industrial synthesis of diamond, water can be used as the main chemically active condensed medium in which diamond-forming reactions proceed.

Термобарохимические эксперименты по синтезу алмаза в газово-жидких средах в диапазоне докритических температур показали, что из числа исследованных разнообразных углеродных систем наиболее перспективной является система С_1-2 ⁺ⁿ-С_1-2 ^-n-Н-О, в результате термобарохимической трансформации которой возникает устойчивая гетерогенная система С^о-Н₂О, т.е. углерод-водная система.Thermobarochemical experiments on the synthesis of diamond in gas-liquid media in the range of subcritical temperatures showed that among the various carbon systems studied the most promising is the system C _1-2 ^{+ n-} C _1-2 ^-n- Н-О, as a result of thermobarochemical transformation of which a stable heterogeneous system С ^о -Н ₂ О appears, i.e. carbon-water system.

Целью изобретения является создание способа синтеза алмаза, позволяющего при низких РТ-параметрах получать кристаллы алмаза особой чистоты (безметалльные и безазотные) и совершенной структуры, пригодные для использования в микроэлектронике, лазерной технике и других приоритетных областях электронной промышленности. The aim of the invention is to create a method for the synthesis of diamond, which allows for low RT parameters to obtain diamond crystals of high purity (non-metal and nitrogen-free) and perfect structure, suitable for use in microelectronics, laser technology and other priority areas of the electronics industry.

Цель достигается путем использования стехиометрических смесей водорастворимых органических соединений алифатического ряда, строго сбалансированных на суммарно нулевое окислительное число атомов углерода в реакционном кристаллизаторе, что позволяет проводить процесс синтеза в водной фазе при температуре 100-350^оС и давлении инертных газов (например, ксенона) 100-400 атм.The object is achieved by the use of stoichiometric mixtures of soluble organic compounds aliphatic, strictly balanced at zero oxidation number of total carbon atoms in the reaction crystallizer, which allows the synthesis process in an aqueous phase at a temperature of 100-350 ^C and a pressure of inert gas (e.g., xenon) 100 -400 atm.

Нижняя и верхняя границы температурного диапазона предопределены значениями температурных констант воды. Нижняя граница температурного диапазона 100^оС соответствует температуре кипения воды, а верхняя граница 350^оС обусловлена тем, что температура 374^оС является критической температурой воды, вследствие чего при рабочих температурах порядка 350^оС вода находится в жидкой фазе (докритическое состояние).Величина рабочего газового давления, требуемого для осуществления процесса синтеза алмаза, определяется исходя из физико-химической специфики каждой конкретной углеродной системы, в первую очередь, из значений критических параметров реагирующих компонентов и технически обеспечивается с помощью управляемого компрессирования инертных газов.The lower and upper limits of the temperature range are predetermined by the values of the temperature constants of water. The lower limit of the temperature range of 100 ^{° C} corresponds to the temperature of boiling water, and the upper limit of 350 ^{° C} due to the fact that the temperature of 374 ^{° C} is a critical temperature of water, whereby at working temperatures about 350 ^{° C} the water is in liquid phase (subcritical state). The value of the working gas pressure required for the diamond synthesis process is determined on the basis of the physicochemical specifics of each specific carbon system, first of all, from the critical parameters of the reactant components and is technically provided by means of controlled compression of inert gases.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании окислительно-восстановительных реакций взаимной нейтрализации электроотрицательных (С^-n) и электроположительных (С⁺ⁿ) атомов углерода в смесях его простых (С_1-3) водорастворимых органических соединений алифатического ряда, взаимодействие которых в водных растворах при низких РТ-параметрах приводит к алмазной поликонденсации, поскольку алмаз является трехмерным (каркасным) полимером углерода парафинового ряда. При этом в качестве мономеров служат возбужденные атомы углерода (радикалы С^о), которые возникают в результате окислительно-восстановительных реакций, протекающих в этих конденсированных (водных) углерод-углеродных системах.The essence of the proposed method consists in the use of redox reactions of mutual neutralization of electronegative (C- ⁿ ) and electropositive (C ^{+ n} ) carbon atoms in mixtures of its simple (C _1-3 ) water-soluble organic compounds of the aliphatic series, the interaction of which in aqueous solutions at low PT-parameters leads to diamond polycondensation, since diamond is a three-dimensional (frame) polymer of paraffin carbon. In this case, excited carbon atoms (C ^o radicals) that arise as a result of redox reactions occurring in these condensed (aqueous) carbon-carbon systems serve as monomers.

Ведущим фактором существенного ускорения процесса взаимной нейтрализации разнозаряженных атомов углерода в водных растворах является определенная композиция углеродных соединений (С₁, С₂, С₃ и т.д.), строго сбалансированная на суммарно нулевое окислительное число атомов углерода этой композиции.The leading factor in significantly accelerating the process of mutual neutralization of differently charged carbon atoms in aqueous solutions is a certain composition of carbon compounds (C ₁ , C ₂ , C ₃ , etc.), strictly balanced by the total zero oxidative number of carbon atoms of this composition.

Поскольку высокая плотность конденсированной водной среды и структурные особенности молекул воды служат факторами, способствующими высокой эффективности процесса алмазной поликонденсации в водных растворах, особенно в растворах, содержащих специальные катализаторы, именно гидротермальная технология синтеза алмаза является наиболее перспективной для получения кристаллов алмаза особой чистоты, а также их легированных разновидностей с заданными свойствами. Since the high density of the condensed aqueous medium and the structural features of water molecules are factors contributing to the high efficiency of the diamond polycondensation process in aqueous solutions, especially in solutions containing special catalysts, it is precisely the hydrothermal diamond synthesis technology that is most promising for obtaining high-purity diamond crystals, as well as their alloyed varieties with desired properties.

Согласно экспериментам принцип взаимной нейтрализации разнозаряженных атомов химических элементов, обладающих имманентным свойством образовать гидридные и оксидные (или галогенидные) газообразные или легко летучие жидкие соединения, смеси которых, взятые в стехиометрическом соотношении, обеспечивающем суммарно нулевое окислительное число атомов элемента, может быть положен в основу создания прогрессивных технологий синтеза при умеренных и низких РТ-параметрах не только кристаллического углерода (алмаза) особой чистоты, но и особо чистых кристаллов других элементов IY, III и Y групп Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, а также ковалентных карбидов этих элементов. According to experiments, the principle of mutual neutralization of differently charged atoms of chemical elements with the inherent property of forming hydride and oxide (or halide) gaseous or easily volatile liquid compounds, mixtures of which, taken in a stoichiometric ratio that provides a total zero oxidative number of element atoms, can be used as the basis for creating progressive synthesis technologies with moderate and low RT parameters of not only crystalline carbon (diamond) of high purity, but also especially pure crystals of other elements of IY, III and Y groups of the Periodic Table of Chemical Elements of D.I. Mendeleev, as well as covalent carbides of these elements.

Claims (1)

СПОСОБ СИНТЕЗА АЛМАЗА путем спонтанной кристаллизации из жидкой фазы, содержащей углерод, отличающийся тем, что используют смеси водных растворов простых воднорастворимых органических соединений алифатического ряда, содержащих противоположно заряженные атомы углерода, соединения берут в количественном соотношении, обеспечивающем суммарно нулевое окислительное число атомов углерода, и процесс ведут в водной фазе при температуре 100 - 350^oС и под давлением инертного газа-компрессанта 100 400 атм.METHOD FOR DIAMOND SYNTHESIS by spontaneous crystallization from a liquid phase containing carbon, characterized in that mixtures of aqueous solutions of simple water-soluble organic compounds of an aliphatic series containing oppositely charged carbon atoms are used, the compounds are taken in a quantitative ratio that provides a total zero oxidative number of carbon atoms, and the process lead in the aqueous phase at a temperature of 100 - 350 ^o With and under the pressure of an inert gas compressor 100 400 atm.