Спосіб синтезу монокристалів алмазу на затравці

Корисна модель належить до області отримання монокристалів алмазу на затравці в області його термодинамічної стабільності і може бути використана для вирощування великих кристалів алмазу ювелірної якості. В теперішній час для отримання великих (розміром більше 1 мм) і якісних алмазів використовується метод перекристалізації в температурному градієнті, відповідно якому встановлюють температуру між алмазною затравкою та джерелом вуглецю, а ріст алмаза відбувається на затравці шляхом дифузії вуглецю через тонкий шар металічного каталізатора-розчинника. Використовуючи температурні градієнти величиною 10-40°С и тривалі проміжки часу, отримують крупніші алмази, ніж при застосуванні методів спонтанної кристалізації. Відомо, що для вирощування досконалих монокристалів алмазу існує оптимальний проміжок часу, який складає 60-70 годин в залежності від складу сплаву-розчинника. Перевищення цього оптимального часу призводить до виникнення дефектів росту у вигляді незабудованих площин граней, а також до захвату включень розчинника, внаслідок появи градієнтів пересичення над поверхнею граней, при якому відбувається перевищення швидкості виникненя нових сходинок росту над швидкістю забудови площин граней. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого рішення є спосіб синтезу монокристалів алмазу на затравці (див. Патент України № 2, МПК 5 СО 1В 31/06 опубл. Бюл. П.В. № 1, 30.04.93), вибраний нами за прототип, який полягає у тому, що для одержання великих кристалів алмазу ювелірної якості, створюється початковий перепад температури між алмазною затравкою і джерелом вуглецю, які розділені між собою масою металевого каталізатора-розчинника, прикладанні високого тиску і температури до розміщених пошарове в реакційній зоні джерела вуглецю, металічного каталізатора-розчинника і кристала-затравки і подальшому регулюванні температури між алмазною затравкою і джерелом вуглецю в процесі всього періоду синтезу, причому початковий перепад температур - 10-15°С, кінцевий перепад температур - 30-40°С. Недоліком цього способу є те, що створення кінцевого перепаду температури 30-40°С вимагає ускладнення комірки високого тиску з метою створення додаткового джерела тепла, що є небажаним при масовому вирощуванні монокристалів алмаза, а також не виключає виникнення спонтанної кристалізації, дефектів росту (двійникування, скелетного росту, захоплення включень сплава-розчинника) і не дає можливість отримання досконалих кристалів більших за розміром у використовуваному ростовому об'ємі. В основу корисної моделі покладено завдання такого удосконалення способу синтезу монокристалів алмазу на затравці, при якому за рахунок пропонованих режимів нагрівання алмазної затравки забезпечується вирощування бездефектних монокристалів алмазу максимального розміру в існуючому реакційному об'ємі, при цьому вдається збільшити граничний розмір кристалів для конкретного АВТ, скоротити терміни вирощування монокристалів алмазу і тим самим здешевити отримання великих кристалів. Для вирішення цього завдання у способі синтезу монокристалів алмазу на затравці, який передбачає створення початкового перепаду температури між алмазною затравкою і джерелом вуглецю, які розділені розташованою між ними масою металічного каталізатора-розчинника, який полягає у прикладанні високого тиску і температури Т0 до розміщених пошарове в реакційній зоні джерела вуглецю, металічного каталізаторарозчинника і кристалу затравки, причому алмазну затравку нагрівають до температури, близької до мінімальної для даного температурного перепаду, а джерело вуглецю до температури, близької до максимальної для даного температурного перепаду, згідно корисної моделі після нагрівання алмазної затравки до температури, близької до мінімальної для даного температурного перепаду впродовж 50-70 годин температуру Т 0 підвищують на 2050°С протягом 2-3 с, при цьому після підвищення температури Т0 на 20-50°С упродовж 2-3 с температуру зменшують до температури Т1, яка дорівнює або перевищує температуру Т 0. Завдяки підвищенню температури в ростовій комірці на 20-50°С забезпечується можливість усунути дефекти росту у вигляді незабудованих площин граней, а також захват включень розчинника внаслідок появи градієнтів пересичення над поверхнею граней, при якому відбувається перевищення швидкості виникненя нових сходинок росту над швидкістю забудови площин граней. Аналіз діаграми стану системи Fe-Ni-C при 6,0 ГПа показав, що збільшення температури вирощування одиничного монокристала алмазу при постійному тиску призводить до збільшення величини розчинності вуглецю в сплаві-розчиннику. Таке збільшення розчинності призводить до травлення дефектів росту, які виникли на попередньому етапі вирощування. Зменшення температури вирощування до початкового значення дозволяє створити рівномірне пересичення розчинника вуглецем над кристалом. Такі умови сприяють росту кристалів, які не містять дефектів росту. Додатково таке зменшення температури призводить до збільшення кількості вуглецю в ростовому об'ємі в порівнянні з його рівноважним вмістом, що дає можливість збільшити масу вирощуваного кристала. Як показали наші дослідження, при вирощуванні одиничного монокристала алмазу протягом 100-120 годин такий цикл підвищення-зменшення температури можна проводити 2-3 рази. Суть запропонованого способу синтезу монокристалів алмазу полягає в тому, що після проведення вирощування одиничного монокристалу алмазу на затравці методом температурного градієнта протягом 50-70 годин, температуру вирощування підвищують на 20-50°С протягом 2-3 с з наступним зменшенням її до початкового значення, або до близького до нього. За допомогою проведених розрахунків та за даними експериментів були встановлені значення температури, на які потрібно збільшити температуру вирощування для того, щоб розчинити дефекти росту, які виникли на початковому етапі вирощування. Була розроблена також програма для швидкого збільшення температури вирощування і повернення її до початкового значення. Приклади конкретної реалізації способу синтезу монокристалів алмазу на затравці. Для проведення експеримента був використаний АВТ типу ковадла з лункою ТС-40. Джерело вуглецю - пірографіт. Металл-розчинник залізо-нікель вуглець у співвідношенні 65:32:3 масових відсотків, товщиною 3,5 мм. Затравочна система складалась з одного кристала, орієнтованого кубічною гранню розміром 0,25х0,25 мм до металла-розчинника. Тиск - 6,05 ГПа визначався за допомогою кривої навантаження, яка визначалась при кімнатній температурі по фіксованим точкам фазових перетворень у вісмуті 2,55 ГПа, талію - 3,7 ГПа, барію - 5,5 ГПа. Температуру вимірювали за допомогою термопари платинородій 30 % Rh - платинородій 6 % Rh (ПР 30/6) без врахування впливу тиску на електрорушійну силу термопари. Було проведено дві серії дослідів. Перша серія була виконана відповідно прототипу, між джерелом вуглецю і алмазною затравкою був встановлений температурний перепад 15°С в початковий момент вирощування. Після 5 годин вирощування включали додаткове джерело тепла і збільшували потужність його нагрівання до завершення процесу синтезу зі швидкістю 2 Вт/год. Це забезпечувало збільшення перепаду температури між джерелом вуглецю і поверхнею монокристала від 15 до 40°С. За 100 годин синтезу був о триманий монокристал алмазу масою 1,85 карат. На бокових поверхнях кристалу спостерігався скелетний розвиток граней, а також захват включень внаслідок погіршення постачання вуглецю до бокових граней монокристала. В другій серії дослідів, виконаних відповідно до запропонованої корисної моделі після вирощування одиничного монокристала алмазу протягом 60 годин температура вирощування Т0=1400°С була збільшена на 50°С протягом 2-3 с. Далі протягом 20 годин температура знижувалась до Т1 ³ 1400 °С. Такий цикл проводили тричі. За 120 годин синтезу був отриманий монокристал алмаза масою 4,48 карат, який не містив дефектів росту у вигляді незабудованих площин граней. Подальший ріст кристала був обмежений лише величиною ростового об'єму. За технологією наведеною вище, були проведені досліди, результати яких наведені в таблиці. З аналізу даних таблиці випливає, що при проведенні синтезу відповідно запропонованої корисної моделі, окрім головної мети, отримання кристалів алмазу, що не містять дефектів росту у вигляді недобудованих площин граней, включень розчинника, досягнута ще одна мета, а саме отриманий кристалл максимальної маси. Таким чином з вищенаведеного випливає, що запропонований спосіб синтезу монокристалів алмазу дозволяє збільшити граничний розмір кристалів для конкретного АВТ, скоротити терміни вирощування монокристалів алмазу і тим самим здешевити отримання великих кристалів. № з/п Маса кристалу, карат Значення підвищення температури D T, °С Значення часу зниження температури D t, год Кількість термоциклів 1 1,76 50 18 3 2 1,83 50 16 3 3 2,12 50 24 2 4 2,17 50 18 3 5 2,65 50 20 3 6 1,54 20 18 3 7 1,60 50 20 2 8 1,63 50 21 2 9 1,76 50 20 2 10 2,41 50 16 3 11 3,07 50 24 2 12 3,82 50 18 3 13 4,48 50 20 3