B01J3 / 06 - metode care utilizează presiune ultra-ridicată, de exemplu, pentru formarea diamantelor; dispozitive pentru acest scop, de exemplu matrice (B01J 3/04 are prioritate, prese în general B30B)
Proprietarii brevetului RU 2320404:
Instituția Federală de Stat "Institutul Tehnologic de Materiale Superhard și Noi Carbon" (FGU TISNUM) (RU)
Invenția se referă la domeniul monocristalelor în creștere și diamant pot fi utilizate pentru prepararea monocristalelor pentru fabricarea camerelor de înaltă presiune diamantat nicovală. O metodă de creștere diamant monocristalelor în regiunea stabilitatea termodinamică se realizează pe cristalul de însămânțare, care este separată de sursa de carbon, un metal solvent, care este folosit ca un aliaj de fier, aluminiu și carbon, în crearea unui gradient de temperatură între sursa de carbon și cristalul de însămânțare 20-30 # x000B0; S. Aliajul de fier, aluminiu și carbon luate în următorul raport,% în greutate: fier - 89-92 ;. aluminiu 4-6; carbon - 4-5. Încălzirea se realizează până la temperatura inițială în zona de creștere la 10-20 # x000B0; C peste temperatura solventului de topire de metal din aliaj, produc înmuiere la această temperatură timp de până la 20 ore, și apoi supuse ciclurilor repetitive de schimbare a temperaturii, etapa de salt care cuprinde creșterea temperaturii până la 10 25 # x000B0; C peste etapa inițială de reducere a temperaturii și înainte de o viteză inițială de 0,2-3 grade pe minut. Rezultatul tehnic constă în cultivarea monocristale mari de diamant (până la 3 carate) din rata de creștere în masă a mai mult de 2 mg / h, cu o intensitate luminiscență scăzută, o impuritate care conține azot nu este mai mare de 0,1 părți per milion, incluziunile metalice nu mai mult de 0,5 în greutate. %. 1 tab.
Invenția se referă la creșterea monocristalelor de diamant, în special maloazotnyh mare valoare destinată fabricării de inalta presiune camerelor diamant nicovală pentru studiile de fază de tranziție și proprietăți ale diferitelor substanțe la presiuni ridicate prin dispersia luminii Raman (Raman scattering).
În aceste scopuri pot fi utilizate diamante naturale cu azot scăzut de tip IIa, dar numărul lor în rândul tuturor diamantelor produse nu depășește 2%. Având în vedere că diamante de acest tip sunt folosite pentru a face diamante, costul lor este mare. În plus, numărul de cristale fără defecte mari, adecvate pentru fabricarea articolelor cu diametrul de 6-8 mm, este extrem de mic. Astfel, utilizarea diamantelor naturale de tip IIa nu poate satisface cerințele științei și tehnologiei în cristale de diamant de calitate și mărime cerute.
Destul de mari, cântărind câteva carate, singurele cristale de diamant pot fi cultivate folosind echipamente de înaltă presiune.
O metodă de obținere a monocristalelor de diamant într-un aparat de presiune înaltă (HPA), folosind un gradient de temperatură, în care sursa de carbon (grafit sau diamant), se află în zona cu temperatură mai ridicată, în timp ce cristalul de însămânțare se separă de stratul sursă de carbon metalic solvent topit, situat în cu o temperatură mai scăzută. sursă de carbon dizolvat în metalul topit difuzează prin topitură și cristalul de însămânțare este depus pe un diamant (US 4340576, S01V 31/06, PUB. 20.07.1982).
Pentru a obține un singur cristal de diamant având o concentrație redusă de impurități de azot pentru a fi adăugate în mediul de creștere o substanță capabilă de a lega azotul este într-un volum de reacție (getter azot) și împiedicând intrarea acestuia în zăbrele de diamant în creștere.
Rezultatul tehnic al invenției constă în cultivarea monocristale mari diamant conținând concentrație mai mică de impurități de azot, impurități metalice și o intensitate scăzută de luminescență potrivite pentru a face cu diamante camere de înaltă presiune nicovală.
Rezultatul tehnic se realizează printr-o metodă de creștere diamant monocristalelor în regiunea stabilitatea termodinamică pe cristalul de însămânțare, care este separat de o sursă de carbon, un metal solvent, care este folosit ca un aliaj de fier, aluminiu și carbon, în crearea unui gradient de temperatură între sursa de carbon și cristalul de însămânțare 20-30 # x000B0 C, în care aliajul de fier, aluminiu și carbon luate în următorul raport,% în greutate: fier - 89-92, aluminiu - 4-6, carbon - 4,5, încălzirea se efectuează pentru a începe. a doua temperatură în zona de creștere, a cărei valoare la 10-20 # x000B0; C peste temperatura solventului de topire de metal din aliaj, produc înmuiere la această temperatură timp de până la 20 de ore, și apoi supus unor cicluri repetitive de schimbare a temperaturii, etapa de salt care cuprinde creșterea temperaturii la 10 25 ° C peste treapta inițială și etapa de scădere a temperaturii la temperatura inițială la o viteză de 0,2-3 grade pe minut.
În aceste condiții, cristale de diamant care cântăresc mai mult de 3 carate sunt cultivate cu o rată de creștere în masă mai mare de 2 mg / h. Cristalele nu conțin mai mult de 0,1 ppm de impurități de azot, nu mai mult de 0,5% gr. Impurități metalice, au o intensitate luminescență este de 2-3 ori mai mică decât cristalele cultivate prin metoda aleasă ca prototip.
Sa stabilit experimental că durata de cristalizare mai mică de 20 de ore, efectuate în sistemul de fier-aluminiu-carbon la o temperatură constantă, atunci când în creștere cristal diamant este suficient de mic, sechestrarea incluziunilor metalice în ecran, cu excepția unei mici regiuni în apropierea seminței nu se produce. Prin mărirea duratei de cristalizare se observă captarea ciclică în creștere incluziunilor metalice cu cristale a căror concentrație este de 4% gr.. Din datele obținute, în practică, rezultă că, în scopul de a reduce probabilitatea de captare a incluziunilor, menținând în același timp un ritm suficient de ridicat de creștere este necesară pentru a produce periodic dizolvarea stratului de suprafață a cristalului de diamant creștere prin creșterea bruscă a temperaturii, urmată de suficient pentru a încetini valoarea sa inițială.
Când conținutul de aluminiu este mai mic de 4% gr. Din greutatea concentrației solventului de impurități metalice de azot în cristal de diamant rezultată depășește 0,1 ppm, iar atunci când se produce mai mult de 6% gr. Topiturii fascicul de metal solvent în două faze nemiscibile și creșterea diamant pe cristal de semințe nu are loc. Când conținutul de carbon este mai mic de 4 procente în greutate.% În greutate din metalul solventului are loc dizolvarea frecventă a cristalului de semințe, și atunci când mai mult de 5% gr. Este adesea observată o creștere parazitare a cristalelor de diamant formate în mod spontan, în competiție cu creșterea cristalului gazdă pentru a reduce greutatea finală. Atunci când este încălzit la o temperatură inițială mai mică de 10 # x000B0; C peste aliajul metalic solvent temperatura de topire a ratei de creștere a cristalului de mai puțin de 2 mg / oră, iar concentrația de impurități metalice în cristal rezultată depășește 0,5% în greutate.. Atunci când este încălzit la o temperatură inițială mai mare de 20 # x000B0 C peste aliajul de temperatura de topire de metal solvent și realizarea unui proces suplimentar de creștere simultană la diferența maximă de temperatură între sursa de carbon și cristalul de însămânțare și mărimea hopping creșterea temperaturii, concentrația de impurități azotului în adultul cristalele pot depăși 0,1 ppm. Dacă creșterea temperaturii bruscă mai mică de 10 # x000B0 C concentrația de impurități metalice în cristalul rezultat depășește 0,5% în greutate, și după o creștere bruscă a temperaturii de mai mult de 25 # x000B0 ;. Deoarece concentrația de impurități de azot din cristalele cultivate în același timp, valorile maxime ale supraîncălzirii inițiale în raport cu aliajul metalic punctul de topire al solventului și diferența de temperatură dintre sursa de carbon și cristalul de însămânțare depășește 0,1 ppm. Când viteza de scădere a temperaturii este mai mică de 0,2 grade pe minut și mai mult de 3 grade pe minut concentrație de impurități metalice în cristal este mai mare de 0,5% gr..
Exemplele de mai jos ilustrează implementarea practică a metodei.
EXEMPLUL 1 într-o cameră de reacție, a fost plasată o șaibă de celulă cu presiune ridicată cu o sursă de carbon de 15 mm în diametru, de 2,75 mm înălțime, de 99,9995% grafit pur; Acesta este plasat sub șaibă aliaj metalic solvent, cu următorul raport al componentelor,% în greutate: fier - 90 din aluminiu - 5 carbon - 5, cu diametrul de 15 mm, înălțimea de 4,5 mm .. 0,5 mm dimensiunea cristalului de însămânțare a feței orientate diamant (100) paralelă cu planul șaibelor de metal solvent și este presată în substratul de clorură de cesiu, care este plasat sub solventul spălătorului metalic.
Diferența de temperatură dintre sursa de carbon și cristalul de însămânțare (zona de creștere) stabilită de încălzitoarele capăt superioare și inferioare de diferite înălțimi confecționate dintr-un amestec de grafit și bioxid de zirconiu.
Celula asamblată a fost plasată într-un tip de AED „toroid“, care este plasat în spațiul de lucru al unei prese hidraulice pentru 044. Crearea unei presiuni într-un volum de reacție de 5,5 GPa și rulează un sistem automat de control crește procesul de cristalizare a energiei electrice la o valoare care să asigure atingerea temperaturii în zona de creștere la temperatura de topire de 10 ° C peste temperatura de topire a aliajului metal-solvent, cu diferența de temperatură dintre sursa de carbon și cristalul de însămânțare 20 ° x000B0; Modul specificat este menținut timp de 18 ore. Apoi, sub controlul unui sistem de control automat al procesului de cristalizare se realizează creșterea în trepte a valorii de intrare a energiei electrice la 40 wați, oferind o creștere a temperaturii de 30 # x000B0; C. Mai mult, sub controlul unui sistem automat de control al procesului se realizează reducerea cristalizare uniformă a energiei electrice livrate timp de 30 minute, oferind o reducere a temperaturii în camera de reacție la o rată de 1 grad pe minut.
În același mod, ciclurile de răcire "ascuțite de încălzire și răcire" se repetă de 400 de ori. Opriți alimentarea cu energie electrică, reduceți presiunea, descărcați AED, scoateți celula de reacție. Separă șaiba de spălare metal-solvent cu diamantul crescut și dizolvă metalul într-un amestec de acizi clorhidric și azotic. Extrageți diamantul crescut. Greutatea cristalului este de 682 mg (3,41 carate). Durata totală a procesului de creștere a fost de 218 de ore, iar rata medie de creștere a maselor a fost de 3,13 mg / oră. Un cristal fără incluziuni în volum, cu excepția a trei incluziuni mici în zona de însămânțare. Numărul de incluziuni metalice măsurate cu greutățile magnetice GENEQ MSB AUTO este de 0,32% din greutate. Concentrația de impurități de azot Nc. Se calculează din valoarea coeficientului de absorbție la 270 nm 270 în spectrul înregistrat cu spectrometrul CARY 4000:
este 0,08 ppm. Excitarea luminiscență și Raman spectru risipire de diamant se realizează la temperatura camerei, un laser cu argon, cu o lungime de undă de 514,5 nm. Spectrele sunt înregistrate pe un spectrometru JY TRIAX 552A echipat cu o matrice CCD răcită. Intensitatea K luminiscență cristal, estimat metoda standard intern prin raportul dintre ordinul al doilea Raman vârf maxim de diamant la 2467 cm -1 I2467 la luminiscența fundal medie măsurată la 1000 (I1000) și 3000 (I3000) cm -1 prin formula:
are valoarea 11.3. Cu cât valoarea lui K este mai mare, cu atât luminescența cristalului este mai slabă.
Exemplul 2. Într-un volum de reacție a sursei de carbon spălător de celule de înaltă presiune poziționată 15 mm, înălțime de 2,75 mm, puritate 99,9995% grafit; sub ea șaibă de aliaj metal-solvent cu următorul raport de componente, greutate%: fier-91; aluminiu - 4; carbon-5, un diametru de 15 mm, o înălțime de 4,5 mm. Diamond dimensiunea cristalului de semințe de 0,5 mm, cu fața orientată (100) paralelă cu planul de solvent șaibe de metal și este presată în substratul de clorură de cesiu, care este plasat sub solventul spălătorului metalic. Diferența de temperatură dintre sursa de carbon și cristalul de însămânțare (zona de creștere) stabilită de încălzitoarele capăt superioare și inferioare de diferite înălțimi confecționate dintr-un amestec de grafit și bioxid de zirconiu.
Celula asamblată a fost plasată într-un tip de AED „toroid“, care este plasat în spațiul de lucru al unei prese hidraulice pentru 044. Crearea unei presiuni într-un volum de reacție de 5,5 GPa și rulează un sistem automat de control crește procesul de cristalizare a energiei electrice la o valoare care să asigure atingerea temperaturii în zona de creștere , 20 # x000B0 C peste aliajul temperaturii solventului de topire de metal, o diferență de temperatură între sursa de carbon și cristalul de însămânțare 20 # x000B0; C. Modul specificat este menținut timp de 15 ore. Apoi, sub controlul unui sistem de control automat al procesului de cristalizare se realizează creșterea în trepte a valorii de intrare a energiei electrice la 20 de wați, oferind o creștere a temperaturii de 15 # x000B0; C. Mai mult, sub controlul unui sistem automat de control al procesului se realizează reducerea cristalizare uniformă a puterii consumate de 20 wați timp de 10 minute, oferind o rată de scădere a temperaturii de 1,5 grade în volumul reactorului pe minut.
În mod similar, punerea în aplicare a ciclurilor de "încălzire ascuțită - răcire netedă" se repetă de 1500 de ori. Opriți alimentarea cu energie electrică, reduceți presiunea, descărcați AED, scoateți celula de reacție. Separă șaiba de spălare metal-solvent cu diamantul crescut și dizolvă metalul într-un amestec de acizi clorhidric și azotic. Extrageți diamantul crescut. Greutatea cristalului este de 608 mg (3,04 carate). Durata totală a procesului de creștere a fost de 265 de ore, iar rata medie de creștere a maselor a fost de 2,29 mg / h. Cristalul conține o mică includere în partea periferică și patru incluziuni mici în zona cristalului de semințe. Cantitatea de incluziuni metalice este de 0,48% în greutate. Concentrația de impurități de azot Nc este de 0,06 ppm. Intensitatea luminescenței cristalului K are valoarea 12.4.
Exemplele rămase, inclusiv metoda aleasă ca prototip, sunt prezentate în tabel.
Astfel, metoda propusă de diamant monocristalelor în creștere permite obținerea de cristale cu o greutate mai mare de 3 carate intensitate mică luminiscență, o impuritate care conține azot nu este mai mult de 0,1 părți per milion și incluziunile metalice nu sunt mai mult de 0,5% gr., La o rată de creștere de 2 masă mg / oră.
Singurele cristale de diamant rezultate au fost utilizate pentru fabricarea nicovalelor din camerele cu diamante de înaltă presiune pentru a studia proprietățile materialelor prin împrăștiere Raman.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: