Синтетический алмаз -Synthetic diamond

Выращенный в лаборатории алмаз ( LGD ; также называемый выращенным в лаборатории , созданным в лаборатории , искусственным , созданным вручную , искусственным , синтетическим или культивированным алмазом ) — это алмаз , который производится в контролируемом технологическом процессе (в отличие от природного алмаза). , который создается в результате геологических процессов и добывается при добыче полезных ископаемых ). В отличие от алмазных имитаторов (имитации алмаза, сделанные из внешне похожих неалмазных материалов), синтетические алмазы состоят из того же материала, что и природные алмазы — чистый углерод, кристаллизованный в изотропной трехмерной форме, — и обладают идентичными химическими и физическими свойствами .

Между 1879 и 1928 годами сообщалось о многочисленных заявлениях о синтезе алмазов; большинство этих попыток были тщательно проанализированы, но ни одна из них не была подтверждена. В 1940-х годах в Соединенных Штатах, Швеции и Советском Союзе начались систематические исследования создания алмазов , кульминацией которых стал первый воспроизводимый синтез в 1953 году. Дальнейшая исследовательская деятельность привела к открытиям алмазов HPHT и CVD , названных в честь их метода производства ( высокотемпературное и химическое осаждение из паровой фазы соответственно). Эти два процесса по-прежнему доминируют в производстве синтетических алмазов. Третий метод, в котором алмазные зерна нанометрового размера создаются при детонации углеродсодержащих взрывчатых веществ, известный как детонационный синтез, появился на рынке в конце 1990-х годов. Четвертый метод обработки графита ультразвуком высокой мощности был продемонстрирован в лаборатории, но в настоящее время не имеет коммерческого применения.

Свойства искусственного алмаза зависят от производственного процесса. Некоторые синтетические алмазы обладают такими свойствами, как твердость , теплопроводность и подвижность электронов , которые превосходят свойства большинства природных алмазов. Синтетический алмаз широко используется в абразивах , режущих и полировальных инструментах, а также в радиаторах . Разрабатываются электронные приложения синтетического алмаза, в том числе мощные переключатели на электростанциях , высокочастотные полевые транзисторы и светодиоды . Синтетические алмазные детекторы ультрафиолетового (УФ) света или высокоэнергетических частиц используются в высокоэнергетических исследовательских установках и имеются в продаже. Благодаря уникальному сочетанию термической и химической стабильности, низкого теплового расширения и высокой оптической прозрачности в широком спектральном диапазоне синтетический алмаз становится самым популярным материалом для оптических окон в мощных СО .
₂лазеры и гиротроны . Подсчитано, что 98% спроса на бриллианты технического качества удовлетворяются за счет синтетических бриллиантов.

Алмазы как CVD, так и HPHT можно разрезать на драгоценные камни и получать различные цвета: чистый белый, желтый, коричневый, синий, зеленый и оранжевый. Появление на рынке синтетических драгоценных камней вызвало серьезные опасения в сфере торговли бриллиантами, в результате чего были разработаны специальные спектроскопические приборы и методы для различения синтетических и природных алмазов.

История

После того, как в 1797 году было обнаружено, что алмаз представляет собой чистый углерод, было предпринято множество попыток превратить различные дешевые формы углерода в алмаз. О самых первых успехах сообщили Джеймс Баллантайн Ханней в 1879 году и Фердинанд Фредерик Анри Муассан в 1893 году. Их метод включал нагревание древесного угля до 3500 ° C (6330 ° F) с железом внутри угольного тигля в печи. В то время как Ханней использовал трубу с пламенным нагревом, Муассан применил свою недавно разработанную электродуговую печь , в которой электрическая дуга зажигалась между угольными стержнями внутри блоков извести . Затем расплавленное железо быстро охлаждали погружением в воду. Сжатие, вызванное охлаждением, предположительно создавало высокое давление, необходимое для превращения графита в алмаз. Муассан опубликовал свою работу в серии статей в 1890-х годах.

Многие другие ученые пытались повторить его эксперименты. Сэр Уильям Крукс заявил об успехе в 1909 году. Отто Рафф заявил в 1917 году, что добыл алмазы диаметром до 7 мм (0,28 дюйма), но позже отказался от своего заявления. В 1926 году доктор Дж. Уиллард Херши из колледжа Макферсон повторил эксперименты Муассан и Рафф, получив синтетический алмаз; этот образец выставлен в музее Макферсона в Канзасе. Несмотря на утверждения Муассан, Рафф и Херши, другим экспериментаторам не удалось воспроизвести их синтез.

Наиболее убедительные попытки репликации были предприняты сэром Чарльзом Алджерноном Парсонсом . Выдающийся ученый и инженер, известный своим изобретением паровой турбины , он потратил около 40 лет (1882–1922) и значительную часть своего состояния, пытаясь воспроизвести эксперименты Муассан и Ханней, а также адаптировав свои собственные процессы. Парсонс был известен своим кропотливо точным подходом и методичным ведением записей; все полученные им образцы были сохранены для дальнейшего анализа независимой стороной. Он написал ряд статей — одни из самых ранних об алмазах HPHT, — в которых он утверждал, что производил небольшие алмазы. Однако в 1928 году он уполномочил д-ра К. Х. Деша опубликовать статью, в которой он заявил, что, по его убеждению, синтетические алмазы (включая алмазы Муассан и другие) до сих пор не производились. Он предположил, что большинство алмазов, которые производились до этого момента, скорее всего, были синтетической шпинелью .

МОРЕ

Первый известный (но изначально не сообщавшийся) синтез алмаза был осуществлен 16 февраля 1953 года в Стокгольме компанией ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), крупной шведской компанией по производству электрооборудования. Начиная с 1942 года ASEA наняла команду из пяти ученых и инженеров в рамках сверхсекретного проекта по производству алмазов под кодовым названием QUINTUS. Команда использовала громоздкий аппарат с разделенной сферой, разработанный Бальтзаром фон Платеном и Андерсом Кемпе. Давление внутри устройства поддерживалось на уровне 8,4 ГПа (1 220 000 фунтов на квадратный дюйм) и температура 2400 ° C (4350 ° F) в течение часа. Было произведено несколько небольших бриллиантов, но не ювелирного качества или размера.

Из-за вопросов, связанных с патентным процессом, и разумного предположения, что в мире не проводилось никаких других серьезных исследований по синтезу алмазов, правление ASEA отказалось от рекламы и патентных заявок. Таким образом, объявление результатов ASEA произошло вскоре после пресс-конференции GE 15 февраля 1955 года.

Алмазный проект GE

В 1941 году между компаниями General Electric (GE), Norton и Carborundum было заключено соглашение о дальнейшем развитии синтеза алмазов. Они смогли нагреть углерод примерно до 3000 ° C (5430 ° F) под давлением 3,5 гигапаскалей (510 000 фунтов на квадратный дюйм) в течение нескольких секунд. Вскоре после этого Вторая мировая война прервала проект. Он был возобновлен в 1951 году в лабораториях Скенектади компании GE, и вместе с Фрэнсисом П. Банди и Г. М. Стронгом была сформирована группа по производству алмазов высокого давления. Позже к проекту присоединились Трейси Холл и другие.

Группа Скенектади усовершенствовала наковальни , разработанные Перси Бриджменом , получившим Нобелевскую премию по физике за свою работу в 1946 году. Банди и Стронг сделали первые усовершенствования, затем Холл сделал больше. Команда GE использовала наковальни из карбида вольфрама в гидравлическом прессе для выдавливания углеродистого образца, содержащегося в катлинитовом контейнере, при этом готовый песок выдавливался из контейнера в прокладку. Команда зафиксировала синтез алмаза в одном случае, но эксперимент не удалось воспроизвести из-за неопределенных условий синтеза, и позже было показано, что алмаз был природным алмазом, использованным в качестве затравки.

Холл осуществил первый коммерчески успешный синтез алмаза 16 декабря 1954 года, и об этом было объявлено 15 февраля 1955 года. Его прорывом стало использование «ленточного» пресса, который был способен создавать давление выше 10 ГПа (1 500 000 фунтов на квадратный дюйм) и температуры. выше 2000 ° C (3630 ° F). В прессе использовался контейнер из пирофиллита , в котором графит растворялся в расплавленном никеле , кобальте или железе. Эти металлы действовали как «растворитель- катализатор », который и растворял углерод, и ускорял его превращение в алмаз. Самый большой алмаз, который он произвел, имел диаметр 0,15 мм (0,0059 дюйма); он был слишком мал и визуально несовершенен для ювелирных изделий, но его можно было использовать в промышленных абразивах. Коллеги Холла смогли воспроизвести его работу, и открытие было опубликовано в крупном журнале Nature . Он был первым, кто вырастил синтетический алмаз с помощью воспроизводимого, поддающегося проверке и хорошо задокументированного процесса. Он покинул GE в 1955 году, а три года спустя разработал новый аппарат для синтеза алмаза — четырехгранный пресс с четырьмя наковальнями — во избежание нарушения приказа Министерства торговли США о конфиденциальности патентных заявок GE.

Дальнейшее развитие

Синтетические кристаллы алмаза ювелирного качества были впервые произведены компанией GE в 1970 году, о чем сообщалось в 1971 году. В первых успехах использовалась пирофиллитовая трубка, на каждом конце которой были засеяны тонкие кусочки алмаза. Исходный графитовый материал помещали в центр, а металлический растворитель (никель) — между графитом и затравками. Контейнер нагревали и повышали давление примерно до 5,5 ГПа (800 000 фунтов на кв. дюйм). Кристаллы растут по мере того, как они текут от центра к концам трубки, и увеличение длины процесса приводит к образованию более крупных кристаллов. Первоначально в процессе выращивания в течение недели производились камни ювелирного качества размером около 5 мм (0,20 дюйма) (1 карат или 0,2 г), и условия процесса должны были быть максимально стабильными. Графитовая подача вскоре была заменена алмазной крошкой, поскольку это позволяло гораздо лучше контролировать форму конечного кристалла.

Первые камни ювелирного качества всегда имели цвет от желтого до коричневого из-за загрязнения азотом . Часто встречались включения , особенно «пластинчатые» из никеля. Удаление всего азота из процесса путем добавления алюминия или титана давало бесцветные «белые» камни, а удаление азота и добавление бора — голубые. Удаление азота также замедляло процесс роста и снижало качество кристаллов, поэтому процесс обычно проходил с присутствием азота.

Хотя камни GE и природные алмазы были химически идентичны, их физические свойства не были одинаковыми. Бесцветные камни давали сильную флуоресценцию и фосфоресценцию в коротковолновом ультрафиолетовом свете, но были инертны в длинноволновом ультрафиолетовом свете. Среди природных алмазов такими свойствами обладают только более редкие голубые драгоценные камни. В отличие от природных алмазов, все камни GE показали сильную желтую флуоресценцию в рентгеновских лучах . Лаборатория исследования алмазов De Beers вырастила камни весом до 25 каратов (5,0 г) для исследовательских целей. Стабильные условия HPHT поддерживались в течение шести недель для выращивания высококачественных алмазов такого размера. По экономическим причинам рост большинства синтетических алмазов прекращается, когда они достигают массы от 1 карата (200 мг) до 1,5 карата (300 мг).

В 1950-х годах в Советском Союзе и США начались исследования по выращиванию алмаза путем пиролиза углеводородных газов при относительно низкой температуре 800 ° C (1470 ° F). Этот процесс при низком давлении известен как химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Сообщается, что Уильям Дж. Эверсоул добился осаждения алмаза из паровой фазы на алмазную подложку в 1953 г., но об этом не сообщалось до 1962 г. Осаждение алмазной пленки было независимо воспроизведено Ангусом и его сотрудниками в 1968 г. и Дерягиным и Федосеевым в 1970 г. В то время как Эверсоул и Ангус использовали большие , дорогие, монокристаллические алмазы в качестве подложек, Дерягину и Федосееву удалось получить алмазные пленки на неалмазных материалах ( кремнии и металлах), что привело к массовым исследованиям недорогих алмазных покрытий в 1980-х годах.

Начиная с 2013 года появились сообщения о росте количества необъявленных синтетических бриллиантов меле (небольшие круглые бриллианты, обычно используемые для обрамления центрального бриллианта или украшения кольца), которые обнаруживаются в ювелирных изделиях и в партиях бриллиантов, продаваемых в торговле. Из-за относительно низкой стоимости бриллиантового меле, а также относительного отсутствия универсальных знаний для эффективной идентификации большого количества меле, не все дилеры приложили усилия для тестирования алмазного меле, чтобы правильно определить, имеет ли оно природное или искусственное происхождение. . Тем не менее, международные лаборатории в настоящее время начинают решать эту проблему, внося значительные улучшения в синтетическую идентификацию ближнего боя.

Технологии производства

Существует несколько методов получения синтетических алмазов. Оригинальный метод использует высокое давление и высокую температуру (HPHT) и до сих пор широко используется из-за его относительно низкой стоимости. В процессе задействованы большие прессы, которые могут весить сотни тонн для создания давления 5 ГПа (730 000 фунтов на квадратный дюйм) при 1500 ° C (2730 ° F). Второй метод, использующий химическое осаждение из паровой фазы (CVD), создает углеродную плазму над подложкой, на которую атомы углерода осаждаются, образуя алмаз. Другие методы включают взрывное формирование (формирование детонационных наноалмазов ) и ультразвуковую обработку графитовых растворов.

Высокое давление, высокая температура

В методе HPHT есть три основных конструкции прессов, используемых для обеспечения давления и температуры, необходимых для производства синтетического алмаза: ленточный пресс, кубический пресс и пресс с разделенными сферами ( BARS ). Алмазные семена размещаются в нижней части пресса. Внутренняя часть пресса нагревается выше 1400 ° C (2550 ° F) и расплавляет металл-растворитель. Расплавленный металл растворяет источник углерода высокой чистоты, который затем транспортируется к маленьким алмазным зернам и осаждается , образуя большой синтетический алмаз.

В оригинальном изобретении GE Трейси Холл используется ленточный пресс, в котором верхняя и нижняя наковальни подают нагрузку давления на цилиндрическую внутреннюю камеру. Это внутреннее давление сдерживается в радиальном направлении поясом из предварительно напряженных стальных лент. Наковальни также служат электродами, подающими электрический ток к сжатой ячейке. Вариант ленточного пресса использует гидравлическое давление, а не стальные ленты, чтобы ограничить внутреннее давление. Ленточные прессы все еще используются сегодня, но они построены в гораздо большем масштабе, чем прессы оригинальной конструкции.

Второй тип конструкции пресса – кубический пресс. Кубический пресс имеет шесть наковален, которые обеспечивают давление одновременно на все грани кубического объема. Первой конструкцией пресса с несколькими наковальнями был четырехгранный пресс, в котором четыре наковальни сходились в объеме в форме тетраэдра . Вскоре после этого был создан кубический пресс, чтобы увеличить объем, к которому можно было приложить давление. Кубический пресс обычно меньше ленточного пресса и может быстрее достичь давления и температуры, необходимых для создания синтетического алмаза. Однако кубические прессы нельзя легко масштабировать до больших объемов: объем под давлением можно увеличить за счет использования больших наковальней, но это также увеличивает силу, необходимую для достижения того же давления на наковальнях. Альтернативой является уменьшение отношения площади поверхности к объему находящегося под давлением объема за счет использования большего количества наковален для сходимости к платоновому телу более высокого порядка , такому как додекаэдр . Однако такой пресс будет сложным и трудным в изготовлении.

Аппарат БАРС считается самым компактным, эффективным и экономичным из всех прессов для производства алмазов. В центре устройства БАРС находится керамическая цилиндрическая «капсула синтеза» размером около 2 см ³ (0,12 куб. дюйма). Ячейку помещают в куб из материала, передающего давление, например пирофиллитовой керамики, который прижимается внутренними наковальнями из твердого сплава (например, из карбида вольфрама или твердого сплава ВК10). Наружная восьмигранная полость спрессована 8 стальными внешними наковальнями. После монтажа вся сборка запирается в бочке дискового типа диаметром около 1 м (3 фута 3 дюйма). Ствол наполняется маслом, которое при нагревании давит, и давление масла передается на центральную ячейку. Капсула синтеза нагревается коаксиальным графитовым нагревателем, температура измеряется термопарой .

Химическое осаждение из паровой фазы

Химическое осаждение из паровой фазы — это метод, с помощью которого алмаз можно вырастить из смеси углеводородных газов. С начала 1980-х годов этот метод стал предметом интенсивных исследований во всем мире. В то время как массовое производство высококачественных алмазных кристаллов делает процесс HPHT более подходящим выбором для промышленных применений, гибкость и простота установок CVD объясняют популярность роста CVD в лабораторных исследованиях. Преимущества выращивания алмазов методом CVD включают возможность выращивания алмазов на больших площадях и на различных подложках, а также точный контроль над химическими примесями и, следовательно, свойствами получаемого алмаза. В отличие от HPHT, процесс CVD не требует высокого давления, поскольку рост обычно происходит при давлении ниже 27 кПа (3,9 фунта на кв. дюйм).

Рост CVD включает подготовку подложки, подачу различного количества газов в камеру и их возбуждение. Подготовка подложки включает выбор подходящего материала и его кристаллографической ориентации; его очистка, часто с помощью алмазного порошка, для шлифовки неалмазной подложки; и оптимизация температуры подложки (около 800 ° C (1470 ° F)) во время роста посредством серии тестовых прогонов. Газы всегда включают источник углерода, как правило , метан и водород с типичным соотношением 1:99. Водород необходим, потому что он избирательно вытравливает неалмазный углерод. Газы ионизируются в химически активные радикалы в камере роста с использованием микроволновой энергии, горячей нити накала , дугового разряда , сварочной горелки , лазера , электронного луча или других средств.

Во время роста материалы камеры вытравливаются плазмой и могут встраиваться в растущий алмаз. В частности, CVD-алмаз часто загрязняется кремнием из кремнеземных окон ростовой камеры или из кремниевой подложки. Поэтому кремниевых окон либо избегают, либо удаляют от подложки. Борсодержащие вещества в камере, даже при очень низком уровне следовых количеств, также делают ее непригодной для выращивания чистого алмаза.

Детонация взрывчатых веществ

Нанокристаллы алмаза (диаметром 5 нм (2,0 × 10 ^-7  дюймов)) могут быть образованы путем детонации некоторых углеродсодержащих взрывчатых веществ в металлической камере. Их называют «детонационными наноалмазами». Во время взрыва давление и температура в камере становятся достаточно высокими, чтобы превратить углерод взрывчатого вещества в алмаз. Будучи погруженной в воду, камера после взрыва быстро остывает, препятствуя превращению вновь полученного алмаза в более стабильный графит. В одном из вариантов этого метода в детонационную камеру помещается металлическая трубка, заполненная графитовым порошком. Взрыв нагревает и сжимает графит до степени, достаточной для его превращения в алмаз. Продукт всегда богат графитом и другими неалмазными формами углерода, и для их растворения требуется длительное кипячение в горячей азотной кислоте (около 1 дня при 250 ° C (482 ° F)). Восстановленный порошок наноалмазов используется в основном для полировки. В основном он производится в Китае, России и Беларуси и начал поступать на рынок в больших количествах к началу 2000-х годов.

Ультразвуковая кавитация

Кристаллы алмаза микронного размера могут быть синтезированы из суспензии графита в органической жидкости при атмосферном давлении и комнатной температуре с использованием ультразвуковой кавитации . Выход алмаза составляет около 10% от исходной массы графита. Расчетная стоимость алмаза, полученного этим методом, сравнима со стоимостью метода HPHT; кристаллическое совершенство продукта значительно хуже при ультразвуковом синтезе. Этот метод требует относительно простого оборудования и процедур, но о нем сообщили только две исследовательские группы, и он не имеет промышленного применения. Многочисленные параметры процесса, такие как подготовка исходного графитового порошка, выбор мощности ультразвука, времени синтеза и растворителя, еще не оптимизированы, что оставляет окно для потенциального повышения эффективности и снижения стоимости ультразвукового синтеза.

Характеристики

Традиционно самым важным качеством бриллианта считается отсутствие кристаллических дефектов . Чистота и высокое кристаллическое совершенство делают бриллианты прозрачными и прозрачными, а его твердость, оптическая дисперсия (блеск) и химическая стабильность (в сочетании с маркетингом) делают его популярным драгоценным камнем. Высокая теплопроводность также важна для технических применений. В то время как высокая оптическая дисперсия является неотъемлемым свойством всех алмазов, другие их свойства зависят от того, как алмаз был создан.

Кристалличность

Алмаз может быть одним сплошным кристаллом или состоять из множества более мелких кристаллов ( поликристалл ). Крупные, чистые и прозрачные монокристаллы алмазов обычно используются в качестве драгоценных камней. Поликристаллический алмаз (PCD) состоит из множества мелких зерен, которые легко увидеть невооруженным глазом благодаря сильному поглощению и рассеянию света; он не подходит для драгоценных камней и используется в промышленных целях, таких как горнодобывающие и режущие инструменты. Поликристаллический алмаз часто описывается средним размером (или размером зерна ) кристаллов, из которых он состоит. Размеры зерен варьируются от нанометров до сотен микрометров , обычно называемых «нанокристаллическими» и «микрокристаллическими» алмазами соответственно.

твердость

Твердость алмаза составляет 10 баллов по шкале твердости минералов Мооса , это самый твердый из известных материалов по этой шкале. Алмаз также является самым твердым из известных материалов благодаря своей устойчивости к вдавливанию. Твердость синтетического алмаза зависит от его чистоты, кристаллического совершенства и ориентации: твердость выше у безупречных чистых кристаллов, ориентированных в направлении [111] (вдоль наибольшей диагонали кубической решетки алмаза). Нанокристаллический алмаз, полученный с помощью CVD-роста алмаза, может иметь твердость в диапазоне от 30% до 75% от твердости монокристаллического алмаза, и твердость можно контролировать для конкретных применений. Некоторые синтетические монокристаллические алмазы и нанокристаллические алмазы HPHT (см. гипералмаз ) тверже любого известного природного алмаза.

Примеси и включения

Каждый алмаз содержит атомы, отличные от углерода, в концентрациях, определяемых аналитическими методами. Эти атомы могут объединяться в макроскопические фазы, называемые включениями. Примесей обычно избегают, но их можно вводить преднамеренно, чтобы контролировать определенные свойства алмаза. Процессы роста синтетического алмаза с использованием растворителей-катализаторов, как правило, приводят к образованию ряда примесных комплексных центров с участием атомов переходных металлов (таких как никель, кобальт или железо), которые влияют на электронные свойства материала.

Например, чистый алмаз является электрическим изолятором , но алмаз с добавлением бора является электрическим проводником (и, в некоторых случаях, сверхпроводником ) , что позволяет использовать его в электронных приложениях. Примеси азота препятствуют движению дислокаций решетки (дефектов в кристаллической структуре ) и подвергают решетку сжимающему напряжению , тем самым повышая твердость и ударную вязкость .

Теплопроводность

Теплопроводность CVD-алмаза колеблется от десятков Вт/мК до более 2000 Вт/мК в зависимости от дефектов, зернограничных структур. По мере роста алмаза в CVD зерна растут вместе с толщиной пленки, что приводит к градиенту теплопроводности в направлении толщины пленки.

В отличие от большинства электрических изоляторов, чистый алмаз является отличным проводником тепла из-за сильной ковалентной связи внутри кристалла. Теплопроводность чистого алмаза является самой высокой среди всех известных твердых тел. Монокристаллы синтетического алмаза, обогащенные¹²
С
(99,9%), изотопно чистый алмаз , обладают самой высокой теплопроводностью среди всех материалов, 30 Вт/см·К при комнатной температуре, что в 7,5 раз выше, чем у меди. Электропроводность природного алмаза снижается на 1,1% за счет¹³
С
естественно присутствует, что действует как неоднородность в решетке.

Теплопроводность алмаза используется ювелирами и геммологами, которые могут использовать электронный термодатчик для отделения алмазов от их имитаций. Эти датчики состоят из пары термисторов с батарейным питанием , установленных в тонком медном наконечнике. Один термистор работает как нагревательное устройство, а другой измеряет температуру медного наконечника: если тестируемый камень является алмазом, он будет проводить тепловую энергию наконечника достаточно быстро, чтобы вызвать измеримое падение температуры. Этот тест занимает около 2-3 секунд.

Приложения

Инструменты для обработки и резки

Большинство промышленных применений синтетических алмазов долгое время ассоциировалось с их твердостью; это свойство делает алмаз идеальным материалом для станков и режущих инструментов . Как самый твердый известный природный материал, алмаз можно использовать для полировки, резки или износа любого материала, включая другие алмазы. Обычное промышленное применение этой способности включает сверла и пилы с алмазными наконечниками, а также использование алмазного порошка в качестве абразива . Это, безусловно, крупнейшее промышленное применение синтетического алмаза. В то время как природный алмаз также используется для этих целей, синтетический алмаз HPHT более популярен, в основном из-за лучшей воспроизводимости его механических свойств. Алмаз не подходит для обработки ферросплавов на высоких скоростях, так как углерод растворяется в железе при высоких температурах, создаваемых высокоскоростной обработкой, что приводит к значительному повышенному износу алмазных инструментов по сравнению с альтернативными материалами.

Обычная форма алмаза в режущих инструментах представляет собой зерна микронного размера, диспергированные в металлической матрице (обычно кобальт), спеченной на инструменте. В промышленности его обычно называют поликристаллическим алмазом (PCD). Инструменты с наконечниками из поликристаллического алмаза можно найти в горнодобывающей промышленности и при резке. В течение последних пятнадцати лет велась работа по покрытию металлических инструментов CVD-алмазом, и, хотя работа обнадеживает, она существенно не заменила традиционные инструменты с PCD.

Теплопроводник

Большинство материалов с высокой теплопроводностью, например металлы, также являются электропроводными. Напротив, чистый синтетический алмаз имеет высокую теплопроводность, но незначительную электропроводность. Это сочетание бесценно для электроники, где алмаз используется в качестве теплоотвода для мощных лазерных диодов , лазерных матриц и мощных транзисторов . Эффективное рассеивание тепла продлевает срок службы этих электронных устройств, а высокая стоимость замены устройств оправдывает использование эффективных, хотя и относительно дорогих, алмазных радиаторов. В полупроводниковой технологии рассеиватели тепла из синтетических алмазов предотвращают перегрев кремния и других полупроводниковых устройств.

Оптический материал

Алмаз твердый, химически инертный, обладает высокой теплопроводностью и низким коэффициентом теплового расширения . Благодаря этим свойствам алмаз превосходит любой другой существующий оконный материал, используемый для передачи инфракрасного и микроволнового излучения. Поэтому синтетический алмаз начинает заменять селенид цинка в качестве выходного окна мощных СО ₂ -лазеров и гиротронов . Эти синтетические поликристаллические алмазные окна имеют форму дисков большого диаметра (около 10 см для гиротронов) и малой толщины (для уменьшения поглощения) и могут быть изготовлены только методом CVD. Монокристаллические пластины размером примерно до 10 мм становятся все более важными в нескольких областях оптики , включая теплоотводы внутри лазерных резонаторов, дифракционную оптику и в качестве оптической усиливающей среды в рамановских лазерах . Недавние достижения в технологиях HPHT и CVD-синтеза позволили повысить чистоту и совершенство кристаллографической структуры монокристаллического алмаза в достаточной степени, чтобы заменить кремний в качестве материала дифракционных решеток и окон в мощных источниках излучения, таких как синхротроны . И процессы CVD, и HPHT также используются для создания дизайнерских оптически прозрачных алмазных наковальней в качестве инструмента для измерения электрических и магнитных свойств материалов при сверхвысоких давлениях с использованием ячейки с алмазной наковальней.

Электроника

Синтетический алмаз можно использовать в качестве полупроводника , поскольку он может быть легирован такими примесями, как бор и фосфор . Поскольку эти элементы содержат на один валентный электрон больше или на один меньше, чем углерод, они превращают синтетический алмаз в полупроводник p- или n-типа . Создание ap-n-перехода путем последовательного легирования синтетического алмаза бором и фосфором приводит к получению светоизлучающих диодов ( LED ), излучающих УФ-свет с длиной волны 235 нм. Еще одним полезным свойством синтетического алмаза для электроники является высокая подвижность носителей заряда , которая достигает 4500 см ² /(В·с) для электронов в монокристаллическом CVD-алмазе. Высокая мобильность благоприятна для работы на высоких частотах, и полевые транзисторы из алмаза уже продемонстрировали многообещающие характеристики на высоких частотах выше 50 ГГц. Широкая запрещенная зона алмаза (5,5 эВ) придает ему отличные диэлектрические свойства. В сочетании с высокой механической стабильностью алмаза эти свойства используются в прототипах мощных переключателей для электростанций.

Синтетические алмазные транзисторы были изготовлены в лаборатории. Они сохраняют работоспособность при гораздо более высоких температурах, чем кремниевые устройства, и устойчивы к химическим и радиационным повреждениям. Хотя алмазные транзисторы еще не были успешно интегрированы в коммерческую электронику, они перспективны для использования в ситуациях исключительно высокой мощности и в неблагоприятных неокислительных средах.

Синтетический алмаз уже используется в качестве устройства обнаружения радиации . Он радиационно стойкий и имеет широкую запрещенную зону 5,5 эВ (при комнатной температуре). Алмаз также отличается от большинства других полупроводников отсутствием стабильного природного оксида. Это затрудняет изготовление поверхностных МОП-устройств, но создает возможность для УФ-излучения получить доступ к активному полупроводнику без поглощения в поверхностном слое. Из-за этих свойств он используется в таких приложениях, как детектор BaBar на Стэнфордском линейном ускорителе и BOLD (детекторы слепого для оптического света для наблюдения за Солнцем в ВУФ-диапазоне ). Алмазный ВУФ-детектор недавно использовался в европейской программе LYRA .

Проводящий алмаз CVD является полезным электродом во многих случаях. Разработаны фотохимические методы ковалентного связывания ДНК с поверхностью поликристаллических алмазных пленок, полученных методом CVD. Такие ДНК-модифицированные пленки можно использовать для обнаружения различных биомолекул , которые будут взаимодействовать с ДНК, тем самым изменяя электропроводность алмазной пленки. Кроме того, алмазы можно использовать для обнаружения окислительно-восстановительных реакций, которые обычно невозможно изучить, и в некоторых случаях для разложения окислительно-восстановительных органических загрязнителей в системах водоснабжения. Поскольку алмаз механически и химически стабилен, его можно использовать в качестве электрода в условиях, которые разрушают традиционные материалы. В качестве электрода синтетический алмаз может быть использован при очистке сточных вод органических стоков и производстве сильных окислителей.

Драгоценные камни

Синтетические алмазы для использования в качестве драгоценных камней выращивают методами HPHT или CVD, и по состоянию на 2013 г. они составляли примерно 2% рынка алмазов ювелирного качества. Однако есть признаки того, что доля рынка синтетических алмазов ювелирного качества может расти по мере развития технологий. Технология позволяет производить более крупное синтетическое производство более высокого качества в более экономичных масштабах. Они бывают желтыми, розовыми, зелеными, оранжевыми, синими и, в меньшей степени, бесцветными (или белыми). Желтый цвет возникает из-за примесей азота в производственном процессе, а синий цвет - из-за бора. Другие цвета, такие как розовый или зеленый, можно получить после синтеза с использованием облучения. Несколько компаний также предлагают мемориальные бриллианты , выращенные из кремированных останков.

Алмазы ювелирного качества, выращенные в лаборатории, могут быть химически, физически и оптически идентичны природным алмазам. Алмазная промышленность предприняла юридические, маркетинговые и дистрибьюторские контрмеры, чтобы попытаться защитить свой рынок от растущего присутствия синтетических алмазов. Синтетические алмазы можно различить с помощью спектроскопии в инфракрасном , ультрафиолетовом или рентгеновском диапазонах. Тестер DiamondView от De Beers использует УФ-флуоресценцию для обнаружения следов примесей азота, никеля или других металлов в алмазах HPHT или CVD.

По крайней мере, один производитель выращенных в лаборатории бриллиантов сделал публичные заявления о том, что он «стремится раскрыть» природу своих бриллиантов и нанес лазером серийные номера на все свои драгоценные камни. На веб-сайте компании показан пример написания одной из ее лазерных надписей, которая включает в себя как слова « Gemesis created», так и префикс серийного номера «LG» (лабораторно выращенный).

В мае 2015 года был установлен рекорд для бесцветного бриллианта HPHT весом 10,02 карата. Ограненный драгоценный камень был вырезан из камня весом 32,2 карата, который был выращен примерно за 300 часов. К 2022 году производились алмазы ювелирного качества весом 16–20 каратов.

Традиционная добыча алмазов привела к нарушениям прав человека в Африке и других алмазодобывающих странах. Голливудский фильм 2006 года «Кровавый алмаз» помог привлечь внимание к проблеме. Потребительский спрос на синтетические бриллианты растет, хотя и с небольшой базы, поскольку клиенты ищут камни, которые являются этически безопасными и более дешевыми. Любая добыча полезных ископаемых также вызывает необратимые изменения в биоразнообразии.

Согласно отчету Совета по продвижению экспорта драгоценных камней и ювелирных изделий, на долю синтетических бриллиантов приходилось 0,28% бриллиантов, произведенных для использования в качестве драгоценных камней в 2014 году. В апреле 2022 года CNN Business сообщил, что обручальные кольца с синтетическим или выращенным в лаборатории бриллиантом подскочили на 63%. по сравнению с предыдущим годом, а количество проданных обручальных колец с природным бриллиантом за тот же период сократилось на 25%.

Примерно в 2016 году цена синтетических бриллиантовых драгоценных камней (например, камней весом 1 карат) начала «резко» падать примерно на 30% за один год, став явно ниже, чем цена добытых алмазов. По состоянию на 2017 год синтетические бриллианты, продаваемые в качестве ювелирных изделий, обычно продавались на 15–20% дешевле, чем их природные эквиваленты; ожидалось, что относительная цена будет снижаться по мере улучшения экономики производства.

В мае 2018 года De Beers объявила, что представит новый ювелирный бренд Lightbox с синтетическими бриллиантами.

В июле 2018 года Федеральная торговая комиссия США утвердила существенный пересмотр своих руководств по ювелирным изделиям с изменениями, которые вводят новые правила в отношении описания бриллиантов и имитаторов бриллиантов в торговле . Пересмотренные руководства существенно противоречили тому, за что в 2016 году выступала De Beers. Новые руководящие принципы удаляют слово «натуральный» из определения «алмаз», таким образом включая выращенные в лаборатории бриллианты в определение «алмаз». В пересмотренном руководстве далее говорится, что «если маркетолог использует «синтетический», чтобы намекнуть, что выращенный в лаборатории бриллиант конкурента не является настоящим бриллиантом, ... это будет обманчиво». В июле 2019 года сторонняя лаборатория по сертификации бриллиантов GIA (Геммологический институт Америки) исключила слово «синтетический» из своего процесса сертификации и отчета для выращенных в лаборатории бриллиантов, согласно пересмотру FTC.

Смотрите также

• Создатель бриллиантов (1895): рассказ Герберта Уэллса, вдохновленный Ханнеем и Муассаном.
• Синтетический александрит
• Список бриллиантов

Примечания

Рекомендации

Библиография

• Барнард, AS (2000). Формула алмаза: синтез алмаза – геммологическая перспектива . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-4244-6.
• О'Донохью, Майкл (2006). Драгоценные камни: их источники, описание и идентификация . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-5856-0.
• Копье, К. Е. и Дисмукс, Дж. П. (1994). Синтетический алмаз . Wiley-IEEE. ISBN 978-0-471-53589-8.
• Лундблад, Эрик (1988). Om konsten att göra diamanter . В Дедале 1988. ISBN 9176160181

Внешние ссылки

• Шульц, Уильям. «Первый синтез алмаза: 50 лет спустя, мрачная картина того, кто заслуживает похвалы» . Новости химии и техники . 82 (5). ISSN  0009-2347 .