Спосіб вирощування монокристалів алмазу на затравці в області термодинамічної стабільності

Реферат: Спосіб вирощування монокристалів алмазу на затравці в області термодинамічної стабільності включає використання металічного розчинника та джерела вуглецю, розміщення їх в ростовій комірці з системою електрорезистивного нагріву, оснащеній пристроєм для вимірювання електричного опору. Фіксування перетворення кристалічний стан  рідина при плавленні сплаву розчинника визначають мінімумом електричного опору резистивної системи нагріву, яку складають з трубчатого графітового нагрівача, з'єднаного з композиційним нагрівачем та двома торцевими струмовідводами так, що відношення площі поперечного перерізу трубчатого графітового нагрівача до площі поперечного перерізу кожного із двох графітових UA 119729 U (12) UA 119729 U струмопідводів визначають як 1:3 за умови, що відношення об'єму сплаву-розчинника до внутрішнього об'єму трубчатого графітового нагрівача не менше ніж 0,5:3 і не більше ніж 2:3. UA 119729 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області отримання монокристалів алмазу на затравці в області термодинамічної стабільності і може бути використана для вирощування великих монокристалів алмазу. Шестипуансонна техніка високих тисків в останній час інтенсивно розвивається в усьому світі і на теперішній час 80 % всіх синтетичних моно- і полікристалів алмазу виготовлено з застосуванням даного устаткування. Запропоновану корисну модель можна також використовувати при роботі з іншими апаратами високого тиску (АВТ), такими як: АВТ з одновісним навантаженням типу «тороїд» та БЕЛТ, а також АВТ з багатовісним навантаженням типу БАРС. Відома конструкція комірки високого тиску (див. Патент США № 4034066, МПК С01В 31/06, опубл. 02.11.73), недоліком якої є неможливість точного контролю параметрів вирощування. Найбільш близькою за технічною суттю є конструкція комірки високого тиску (див. Патент України № 8143, МПК 5 С01В 31/06, опубл. 15.07.2005, Бюл. №7), що була вибрана за прототип і принцип роботи якої включає використання металічного розчинника та джерела вуглецю, розміщення їх в ростовій комірці з системою електрорезистивного нагріву і оснащеного пристроєм для вимірювання електричного опору. Недоліком такої комірки високого тиску є те, що точний контроль температур в ростовій комірці можливий лише за умови введення термопари в ростовий об'єм, що є складною та трудоємною задачею. В більшості випадків підбір необхідних параметрів вирощування виконується експериментальним шляхом і потребує багато часу. В основу даної корисної моделі поставлено задачу ліквідувати недоліки принципу роботи відомої конструкції ростової комірки, яке б не потребувало значних затрат часу на процес виготовлення комірки високого тиску та не ускладнювало її конструкції і дозволяло б її застосування в промислових масштабах. Для вирішення цієї задачі в принципі роботи пристрою високого тиску і температури для вирощування монокристалів алмазу на затравці в області термодинамічної стабільності, що включає використання металічного розчинника та джерела вуглецю, розміщення їх в ростовій комірці з системою електрорезистивного нагріву, оснащеній пристроєм для вимірювання електричного опору, початок процесу перетворення кристалічний стан  рідина при плавленні сплаву-розчинника визначають шляхом фіксування мінімуму електричного опору резистивної системи нагріву, яку складають з трубчатого графітового нагрівача, з'єднаного з композиційним нагрівачем та двома торцевими струмовідводами так, що: - відношення площі поперечного перерізу трубчатого графітового нагрівача до площі поперечного перерізу кожного із двох графітових струмопідводів визначають як 1:3; - відношення об'єму сплаву-розчинника до внутрішнього об'єму трубчатого графітового нагрівача не менше ніж 0,5:3 і не більше ніж 2:3; - процес вирощування монокристалів алмазу проводять при потужності електричного струму, що перевищує на 0,8-1,2 % потужність, необхідну для розплавлення сплаву-розчинника. Причинно-наслідковий зв'язок між ознаками, що заявляються, і технічними ефектами, які досягаються внаслідок їх реалізації, полягає у зміні принципу роботи і конфігурації резистивної системи нагріву пристрою високого тиску і температури, що використовується для вирощування монокристалів алмазу на затравці в області термодинамічної стабільності і включає в себе використання металічного розчинника та джерела вуглецю, розміщених в ростовій комірці з системою електрорезистивного нагріву, оснащеній пристроєм для вимірювання електричного опору. Фіксування перетворення кристалічний стан  рідина при плавленні металу розчинника визначається мінімумом електричного опору резистивної системи нагріву (точка А на фіг. 2), яка складається з трубчатого графітового нагрівача, з'єднаного з композиційним нагрівачем та двома торцевими струмопідводами, причому відношення площі поперечного перерізу трубчатого графітового нагрівача до площі поперечного перерізу кожного із двох графітових струмопідводів визначають як 1:3 за умови, що відношення об'єму сплаву-розчинника до внутрішнього об'єму трубчатого графітового нагрівача не менше ніж 0,5 :3 і не більше ніж 2:3. Суть даної корисної моделі полягає у використанні спеціальної резистивної системи нагріву, яка дозволяє фіксувати момент початку розплавлення сплаву-розчинника, чому відповідає мінімальне значення електричного опору; сам процес вирощування проводять при потужності, більшій, ніж потужність, що необхідна для розплавлення металу розчинника на 0,8-1,2 %. Передумовою для цього послужило виявлення в експериментах з вирощування монокристалів алмазу на затравці методом температурного градієнта мінімуму температурної залежності електричного опору резистивної системи нагріву ростової комірки, призначеної для створення необхідних температур і значень температурних градієнтів з метою отримання 1 UA 119729 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 монокристалів алмазу, який пов'язаний з ефектом плавлення вихідного сплаву розчинника і супроводжується зміною форми поперечного перерізу трубчастого графітового нагрівача. Корисна модель пояснюється кресленнями: На фіг. 1 зображена схема поперечного перерізу ростової комірки шестипунсонного апарата високого тиску CS VII, яка використовувалась для проведення експериментів; на фіг. 2 зображено характерне зображення зміни електрично опору, де: А - початок розплавлення металу-розчинника, Б - повне розплавлення металу-розчинника, В - стабілізація ростової системи. При виборі резистивної системи нагріву повинні виконуватись дві основні вимоги: 1. Відношення площ поперечного перерізу трубчастого графітового нагрівача та кожного із графітових електроводів повинне складати не менше ніж 1:2 і не більше ніж 1:4. При використанні відношення менше ніж 1:2 чи більше ніж 1:4 змінюється розподіл температур всередині ростового об'єму, що може призвести до часткового розплавлення металу. Це явище має негативний вплив на процес вирощування, при цьому мінімум і максимум електрично опору також спостерігаються, але не відповідають повному розплавленню металу-розчинника. 2. Відношення об'єму сплаву розчинника до внутрішнього об'єму трубчастого графітового нагрівача повинно складати не менше ніж 0,5:3 і не більше ніж 2:3. При використанні відношення менше ніж 0,5:3 мінімум і максимум електричного опору можуть не спостерігатись з причини незначного впливу процесу розплавлення металу на ступінь деформації поперечного перерізу трубчастого графітового нагрівача. При використанні відношення більше за 2:3 кількість тепла, що виділяється резистивною системою нагріву, може бути недостатня для повного розплавлення металу, що також має негативний вплив на процес вирощування. Заявлена корисна модель працює наступним чином: ростова комірка розміщувалась в кубічному контейнері, виготовленому з пірофіліту, який здавлювався в робочому просторі АВТ (фіг. 1). Тиск та температура повинні знаходитись в області термодинамічної стабільності алмазу: Р=5,8-6,2 ГПа, Т=1300-1500 °С. Контроль температури здійснювали за допомогою термопари платина-родій (ПР 30/6). Як розчинник використовувався сплав Fe - 36 % Ni, джерелом вуглецю служив природний графіт ГСМ 1. Встановлено, що при високих тисках та температурах в ростовому об'ємі за рахунок плавного підвищення потужності електричного струму нагріву величина електричного опору монотонно зменшується то тих пір, доки металічний розчинник не почне плавитись. В цей момент фіксується мінімум електричного опору. Про факт розплавлення розчинника в момент проходження мінімуму електричного опору свідчать результати металографічного аналізу, а також зміна форми металу розчинника та циліндричного графітового нагрівача в місцях їх суміжного розташування. Електричний опір, що відповідає початку плавлення металу, при подальшому підвищенні потужності зростає на 1,5-10 %, а після повного розплавлення відбувається монотонне зниження значення електричного опору. Характерне зображення зміни електричного опору під час проведення експерименту з вирощування монокристалів алмазу представлене на фіг. 2. Приклади конкретної реалізації пропонованої корисної моделі Приклад 1. Для проведення серії експериментів з вирощування монокристалів алмазу методом температурного градієнта в області термодинамічної стабільності було використано резистивну систему нагріву, що включала в себе два графітових електропідводи (1) з висотою 10 мм та товщиною стінки 3 мм, композиційний графітовий нагрівач (2) та трубчатий графітовий нагрівач (3) з висотою 21,5 мм та товщиною стінки 1 мм. Як метал-розчинник вуглецю був використаний сплав Fe - 36 % Ni (4) з висотою 7 мм та діаметром 31 мм. Відношення об'єму сплаву-розчинника до внутрішнього об'єму трубчатого графітового нагрівача складало 1,7:3. Як джерело вуглецю (5) використовувався природний графіт. Для ізоляції ростового об'єму від резистивної системи нагріву використовувалась втулка (6) та диск (7) виготовлені із суміші порошків CsCl (84 %) + ZrO2 (16 %). Затравочна система розміщувалась на диску (7), виготовленому із CsCl (84 %) + ZrO2 (16 %). Як теплоізолятор ростової комірки була використана втулка (8), виготовлена із суміші порошків CsCl (98,5 %) + С (1,5 %). Для теплоізоляції нижньої частини ростової системи використовувався диск (9), виготовлений із графіту. Ростова комірка розміщувалась в контейнері високого тиску, що складався із кубічного контейнера (10), двох дисків, виготовлених на основі пірофіліту (11), та двох дисків, виготовлених на основі доломіту (12). Контейнер високого тиску розміщувався в робочому просторі АВТ, який складався з шести пуансонів (13). Процес вирощування проводили при потужності нагріву в діапазоні 5400-5600 Вт та тиску 5,9 ГПа. Тривалість циклу вирощування складала 120 год. В результаті проведення процесу вирощування були отримані 23 структурно досконалі монокристали алмазу типу Ib загальною масою 15,2 ct. Усі кристали були високої якості. 2 UA 119729 U 5 10 15 Приклад 2. Для проведення серії експериментів з вирощування монокристалів алмазу методом температурного градієнту в області термодинамічної стабільності було використано резистивну систему нагріву, що включала в себе два графітових струмопідводи з висотою 10 мм та товщиною стінки 3 мм, композиційний графітовий нагрівач та трубчатий графітовий нагрівач з висотою 21,5 мм та товщиною стінки 1 мм. Як метал-розчинник вуглецю був використаний сплав Fe - 4 % Аl з висотою 7 мм та діаметром 31 мм. Відношення об'єму сплавурозчинника до внутрішнього об'єму трубчатого графітового нагрівача складало 1,7:3. Процес вирощування проводили при потужності нагріву в діапазоні 5600-5800 Вт та тиску 5,9 ГПа. Тривалість циклу вирощування складала 120 год. В результаті проведення процесу вирощування були отримані 23 структурно досконалі монокристали алмазу типу IIа загальною масою 14,5 ct. Ефективність запропонованої корисної моделі підтверджено науково-експериментальними дослідженнями проведеними в НТАК «АЛКОН» НАН України і на теперішній час вона успішно використовується в промислових масштабах для контролю процесу вирощування на таких підприємствах як: ТзОВ «АЛЬКОР-Д» (Україна), Shandong Best Environment Technology Co., Ltd (Китай), «NEW DIAMOND TEHNOLOGY» (Росія). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 1. Спосіб вирощування монокристалів алмазу на затравці в області термодинамічної стабільності, що включає використання металічного розчинника та джерела вуглецю, розміщення їх в ростовій комірці з системою електрорезистивного нагріву, оснащеній пристроєм для вимірювання електричного опору, який відрізняється тим, що фіксування перетворення кристалічний стан  рідина при плавленні сплаву розчинника визначають мінімумом електричного опору резистивної системи нагріву, яку складають з трубчатого графітового нагрівача, з'єднаного з композиційним нагрівачем та двома торцевими струмовідводами так, що відношення площі поперечного перерізу трубчатого графітового нагрівача до площі поперечного перерізу кожного із двох графітових струмопідводів визначають як 1:3 за умови, що відношення об'єму сплаву-розчинника до внутрішнього об'єму трубчатого графітового нагрівача не менше ніж 0,5:3 і не більше ніж 2:3. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що вирощування монокристалів алмазу проводять при потужності електричного струму, що перевищує на 0,8-1,2 % потужність, необхідну для розплавлення сплаву-розчинника. 3 UA 119729 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4