Выращенный в лаборатории алмаз ( LD ; [1] также называемый лабораторно-выращенным , лабораторно-созданным , искусственным , ремесленным , искусственным , синтетическим или культивированным алмазом ) — это алмаз , который производится в контролируемом технологическом процессе (в отличие от природный алмаз, созданный в результате геологических процессов и полученный путем добычи полезных ископаемых ). В отличие от имитаторов алмаза (имитаций алмаза, изготовленных из внешне похожих неалмазных материалов), синтетические алмазы состоят из того же материала, что и алмазы природного происхождения — чистого углерода , кристаллизованного в изотропной трехмерной форме, — и имеют идентичные химические и физические свойства .
В период с 1879 по 1928 год сообщалось о многочисленных заявлениях о синтезе алмазов; большинство этих попыток были тщательно проанализированы, но ни одна из них не подтвердилась. В 1940-х годах в США, Швеции и Советском Союзе начались систематические исследования по созданию алмазов , кульминацией которых стал первый воспроизводимый синтез в 1953 году. Дальнейшая исследовательская деятельность привела к открытию алмазов высокого давления, высокой температуры ( HPHT ) и CVD-алмазов . названы по методу их производства (высокодавление, высокотемпературное и химическое осаждение из паровой фазы соответственно). Эти два процесса по-прежнему доминируют в производстве синтетических алмазов. Третий метод, при 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, обработка графита мощным ультразвуком , был продемонстрирован в лаборатории, но в настоящее время не имеет коммерческого применения.
Свойства синтетических алмазов зависят от процесса производства. Некоторые из них обладают такими свойствами, как твердость , теплопроводность и подвижность электронов , которые превосходят свойства большинства природных алмазов. Синтетический алмаз широко используется в абразивах , режущих и полирующих инструментах, а также в радиаторах . Разрабатываются электронные применения синтетического алмаза, в том числе мощные переключатели на электростанциях , высокочастотные полевые транзисторы и светодиоды . Синтетические алмазные детекторы ультрафиолетового (УФ) света или частиц высоких энергий используются в исследовательских установках высоких энергий и доступны коммерчески. 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 CO.
2лазеры и гиротроны . По оценкам, 98% спроса на промышленные алмазы удовлетворяются синтетическими алмазами. [2]
Алмазы CVD и HPHT можно огранить в драгоценные камни и получить различные цвета: чистый белый, желтый, коричневый, синий, зеленый и оранжевый. Появление на рынке синтетических драгоценных камней вызвало серьезные опасения в алмазоторговом бизнесе, в результате чего были разработаны специальные спектроскопические устройства и методы для различения синтетических и природных алмазов.
На ранних этапах синтеза алмазов значительную роль сыграл основоположник современной химии Антуан Лавуазье. Его революционное открытие о том, что кристаллическая решетка алмаза аналогична кристаллической структуре углерода, проложило путь к первым попыткам производства алмазов. [3] После того, как в 1797 году было обнаружено, что алмаз представляет собой чистый углерод, [4] [5] было предпринято множество попыток превратить различные дешевые формы углерода в алмаз. [6] [a] О первых успехах сообщили Джеймс Баллантайн Ханней в 1879 году [11] и Фердинанд Фредерик Анри Муассан в 1893 году. Их метод заключался в нагревании древесного угля до 3500 ° C (6330 ° F) с железом внутри углерода . тигель в печи. В то время как Ханней использовал трубку с пламенным нагревом, Муассан применил свою недавно разработанную электродуговую печь , в которой электрическая дуга зажигалась между углеродными стержнями внутри блоков извести . [12] Затем расплавленное железо быстро охлаждали путем погружения в воду. Сокращение, вызванное охлаждением, предположительно создавало высокое давление, необходимое для превращения графита в алмаз. Муассан опубликовал свою работу в серии статей в 1890-х годах. [6] [13]
Многие другие учёные пытались повторить его эксперименты. Сэр Уильям Крукс заявил об успехе в 1909 году. [14] Отто Рафф заявил в 1917 году, что добыл алмазы диаметром до 7 мм (0,28 дюйма), [15] , но позже отказался от своего заявления. [16] В 1926 году доктор Дж. Уиллард Херши из Макферсон-колледжа повторил эксперименты Муассан и Рафф, [17] [18] получив синтетический алмаз. [19] Несмотря на заявления Муассан, Рафф и Херши, другие экспериментаторы не смогли воспроизвести их синтез. [20] [21]
Наиболее точные попытки репликации были предприняты сэром Чарльзом Алджерноном Парсонсом . Выдающийся ученый и инженер, известный изобретением паровой турбины , он потратил около 40 лет (1882–1922) и значительную часть своего состояния, пытаясь воспроизвести эксперименты Муассана и Ханне, а также адаптировал собственные процессы. [22] Парсонс был известен своим тщательно точным подходом и методичным ведением записей; все полученные им образцы были сохранены для дальнейшего анализа независимой стороной. [23] Он написал ряд статей (одни из самых первых) о HPHT-алмазах, в которых утверждал, что производил небольшие алмазы. [24] Однако в 1928 году он уполномочил доктора К. Х. Деша опубликовать статью [25] , в которой он заявил, что, по его мнению, до сих пор не производились синтетические алмазы (в том числе алмазы Муассан и другие). Он предположил, что большинство алмазов, добытых до того момента, скорее всего, были синтетической шпинелью . [20]
Первый известный (но первоначально не сообщавшийся) синтез алмаза был осуществлен 16 февраля 1953 года в Стокгольме компанией ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), крупнейшей 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 Бальцаром фон Платеном и Андерсом Кемпе. [26] [27] Внутри устройства поддерживалось давление примерно 8,4 ГПа (1 220 000 фунтов на квадратный дюйм) и температура 2400 ° C (4350 ° F) в течение часа. Было добыто несколько небольших бриллиантов, но не ювелирного качества и размера.
Из-за вопросов, касающихся патентного процесса, а также из-за разумного предположения, что в мире не проводилось никаких других серьезных исследований по синтезу алмазов, совет ASEA отказался от гласности и подачи патентных заявок. Таким образом, объявление результатов ASEA произошло вскоре после пресс-конференции GE 15 февраля 1955 г. [28]
В 1941 году между компаниями General Electric (GE), Norton и Carborundum было заключено соглашение о дальнейшем развитии синтеза алмазов. Им удалось нагреть углерод примерно до 3000 °C (5430 °F) под давлением 3,5 гигапаскаля (510 000 фунтов на квадратный дюйм) в течение нескольких секунд. Вскоре после этого Вторая мировая война прервала проект. Оно было возобновлено в 1951 году в лабораториях GE в Скенектади, и была сформирована группа по алмазам высокого давления с Фрэнсисом П. Банди и Х.М. Стронгом. Трейси Холл и другие присоединились к проекту позже. [26]
Группа Скенектади усовершенствовала наковальни , сконструированные Перси Бриджменом , получившим за свою работу Нобелевскую премию по физике в 1946 году. Первые усовершенствования внесли Банди и Стронг, затем Холл сделал еще больше. Команда GE использовала наковальни из карбида вольфрама в гидравлическом прессе, чтобы сжать углеродистый образец, хранившийся в контейнере из катлинита , а готовая крошка выдавливалась из контейнера в прокладку. Команда однажды зафиксировала синтез алмаза, но эксперимент не удалось воспроизвести из-за неопределенных условий синтеза [29] , а позже было показано, что алмаз был природным алмазом, использованным в качестве затравки. [30]
Холл добился первого коммерчески успешного синтеза 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 температуру. выше 2000 °C (3630 °F). [31] В прессе использовался пирофиллитовый контейнер, в котором графит растворялся в расплавленном никеле , кобальте или железе. Эти металлы действовали как «растворитель- катализатор », который не только растворял углерод, но и ускорял его превращение в алмаз. Самый большой алмаз, который он добыл, имел диаметр 0,15 мм (0,0059 дюйма); он был слишком маленьким и визуально несовершенным для ювелирных изделий, но его можно было использовать в промышленных абразивах. Коллегам Холла удалось повторить его работу, и открытие было опубликовано в крупном журнале Nature . [32] [33] Он был первым человеком, который вырастил синтетический алмаз с помощью воспроизводимого, проверяемого и хорошо документированного процесса. Он покинул GE в 1955 году, а три года спустя разработал новый аппарат для синтеза алмаза — тетраэдрический пресс с четырьмя наковальнями — чтобы не нарушать приказ о секретности Министерства торговли США в отношении патентных заявок GE. [30] [34]
Синтетические кристаллы алмаза ювелирного качества были впервые произведены компанией GE в 1970 году, о чем сообщалось в 1971 году. Первые успехи заключались в использовании пирофиллитовой трубки, засеянной на каждом конце тонкими кусочками алмаза. Графитовый исходный материал помещали в центр, а металлический растворитель (никель) - между графитом и затравками. Контейнер нагрели и давление подняли примерно до 5,5 ГПа (800 000 фунтов на квадратный дюйм). Кристаллы растут по мере движения от центра к концам трубки, а увеличение длины процесса приводит к образованию более крупных кристаллов. Первоначально в результате недельного процесса выращивания были получены камни ювелирного качества размером около 5 мм (0,20 дюйма) (1 карат или 0,2 г), и условия процесса должны были быть максимально стабильными. Графитовое сырье вскоре было заменено алмазным, поскольку оно позволяло гораздо лучше контролировать форму конечного кристалла. [33] [35]
Первые камни ювелирного качества всегда имели цвет от желтого до коричневого из-за загрязнения азотом . Включения были обычным явлением, особенно «пластинчатые» из никеля. Удаление всего азота из процесса путем добавления алюминия или титана дает бесцветные «белые» камни, а удаление азота и добавление бора дает синие камни. [36] Удаление азота также замедлило процесс роста и снизило качество кристаллов, поэтому процесс обычно проводился в присутствии азота.
Хотя драгоценные камни и природные алмазы были химически идентичны, их физические свойства не были одинаковыми. Бесцветные камни давали сильную флуоресценцию и фосфоресценцию под коротковолновым ультрафиолетовым светом, но были инертны под длинноволновым ультрафиолетом. Среди природных алмазов такими свойствами обладают только более редкие голубые драгоценные камни. В отличие от природных алмазов, все ГМ-камни демонстрировали сильную желтую флуоресценцию в рентгеновских лучах . [37] Лаборатория исследования алмазов De Beers выращивает камни весом до 25 каратов (5,0 г) в исследовательских целях. Стабильные условия HPHT поддерживались в течение шести недель для выращивания высококачественных алмазов такого размера. По экономическим причинам рост большинства синтетических алмазов прекращается при достижении ими массы от 1 карата (200 мг) до 1,5 карата (300 мг). [38]
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 низкого давления известен как химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Сообщается, что Уильям Г. Эверсол осуществил осаждение алмаза из паровой фазы на алмазную подложку в 1953 году, но об этом не сообщалось до 1962 года. [39] [40] Осаждение алмазной пленки было независимо воспроизведено Ангусом и его коллегами в 1968 году [41], а также Дерягиным и Федосеевым. в 1970 году. [42] [43] В то время как Eversole и Angus использовали в качестве подложек крупные дорогие монокристаллические алмазы, Дерягину и Федосееву удалось создать алмазные пленки на неалмазных материалах ( кремнии и металлах), что привело к массовым исследованиям в области недорогие алмазные покрытия в 1980-х годах. [44]
С 2013 года появились сообщения о росте количества нераскрытых синтетических бриллиантов меле (небольшие круглые бриллианты, обычно используемые для обрамления центрального бриллианта или украшения кольца) [45] , которые обнаруживаются в ювелирных комплектах и в партиях бриллиантов, продаваемых на торгах. [46] Из-за относительно низкой стоимости алмазного оружия ближнего боя, а также относительной нехватки универсальных знаний для эффективной идентификации больших количеств оружия ближнего боя, [47] не все дилеры предприняли попытку протестировать алмазное оружие ближнего боя, чтобы правильно определить, является ли оно природного или синтетического происхождения. Однако в настоящее время международные лаборатории начинают решать эту проблему, добившись значительных улучшений в синтетической идентификации оружия ближнего боя. [48]
Существует несколько методов производства синтетических алмазов. Оригинальный метод использует высокое давление и высокую температуру (HPHT) и до сих пор широко используется из-за его относительно низкой стоимости. В этом процессе задействованы большие прессы, которые могут весить сотни тонн и создавать давление 5 ГПа (730 000 фунтов на квадратный дюйм) при температуре 1500 ° C (2730 ° F). Второй метод, использующий химическое осаждение из паровой фазы (CVD), создает углеродную плазму над подложкой, на которую осаждаются атомы углерода, образуя алмаз. Другие методы включают взрывное образование (образование детонационных наноалмазов ) и обработку ультразвуком растворов графита. [49] [50] [51]
В методе HPHT используются три основные конструкции прессов для обеспечения давления и температуры, необходимых для производства синтетического алмаза: ленточный пресс, кубический пресс и пресс с разделенной сферой ( BARS ). Алмазные семена помещаются в нижнюю часть пресса. Внутренняя часть пресса нагревается выше 1400 °C (2550 °F) и расплавляет металл-растворитель. Расплавленный металл растворяет источник углерода высокой чистоты, который затем переносится к маленьким алмазным затравкам и выпадает в осадок , образуя крупный синтетический алмаз. [52]
В оригинальном изобретении GE Трейси Холл используется ленточный пресс, в котором верхняя и нижняя наковальни передают сжимающую нагрузку на цилиндрическую внутреннюю ячейку. Это внутреннее давление ограничивается в радиальном направлении поясом из предварительно напряженных стальных лент. Наковальни также служат электродами, подводящими электрический ток к сжатой ячейке. В одном из вариантов ленточного пресса для ограничения внутреннего давления используется гидравлическое давление, а не стальные ленты. [52] Ленточные прессы все еще используются сегодня, но они построены в гораздо большем масштабе, чем те, что были в оригинальной конструкции. [53]
Второй тип конструкции пресса – кубический пресс. Кубический пресс имеет шесть наковальнь, которые оказывают давление одновременно на все грани кубического объема. [54] Первой конструкцией пресса с несколькими наковальнями был четырехгранный пресс, в котором четыре наковальни сходились в объеме в форме тетраэдра . [55] Вскоре после этого был создан кубический пресс, чтобы увеличить объем, к которому можно было приложить давление. Кубический пресс обычно меньше ленточного и позволяет быстрее достичь давления и температуры, необходимых для создания синтетического алмаза. Однако кубические прессы нелегко масштабировать до больших объемов: объем под давлением можно увеличить, используя наковальни большего размера, но это также увеличивает силу, необходимую для достижения того же давления. Альтернативой является уменьшение отношения площади поверхности к объему находящегося под давлением объема путем использования большего количества наковальнь для сходимости к платоновому телу более высокого порядка , такому как додекаэдр . Однако такой пресс будет сложен и труден в изготовлении. [54]
Аппарат БАРС считается самым компактным, эффективным и экономичным из всех прессов для добычи алмазов. В центре аппарата БАРС находится керамическая цилиндрическая «капсула синтеза» размером около 2 см 3 (0,12 куб. дюйма). Ячейка помещается в куб из передающего давление материала, например пирофиллитовой керамики, который прижимается внутренними наковальнями из твердого сплава (например, карбида вольфрама или твердого сплава ВК10). [56] Внешняя октаэдрическая полость прижимается 8 стальными внешними наковальнями. После монтажа вся сборка фиксируется в бочке дискового типа диаметром около 1 м (3 фута 3 дюйма). Ствол заполнен маслом, которое при нагревании создает давление, и давление масла передается в центральную ячейку. Капсула синтеза нагревается коаксиальным графитовым нагревателем, температура измеряется термопарой . [57]
Химическое осаждение из паровой фазы — это метод, с помощью которого алмаз можно вырастить из газовой смеси углеводородов. С начала 1980-х годов этот метод стал предметом интенсивных исследований во всем мире. В то время как массовое производство высококачественных кристаллов алмаза делает процесс HPHT более подходящим выбором для промышленного применения, гибкость и простота установок CVD объясняют популярность выращивания CVD в лабораторных исследованиях. Преимущества выращивания алмазов CVD включают возможность выращивать алмазы на больших площадях и на различных подложках, а также точный контроль над химическими примесями и, следовательно, над 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 квадратный дюйм). [49] [58]
Рост CVD включает подготовку субстрата, подачу различного количества газов в камеру и подачу на нее энергии. Подготовка подложки включает выбор подходящего материала и его кристаллографической ориентации; очистка, часто алмазным порошком для шлифовки неалмазной основы; и оптимизация температуры подложки (около 800 ° C (1470 ° F)) во время роста посредством серии тестовых запусков. Газы всегда включают источник углерода, обычно метан , и водород с типичным соотношением 1:99. Водород необходим, поскольку он избирательно вытравливает неалмазный углерод. Газы ионизируются в химически активные радикалы в камере выращивания 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 внедряться в растущий алмаз. В частности, CVD-алмаз часто загрязняется кремнием, поступающим из кварцевых окон ростовой камеры или из кремниевой подложки. [59] Поэтому окна из кремнезема либо избегают, либо отодвигают от подложки. Борсодержащие частицы в камере, даже в очень низких следовых количествах, также делают ее непригодной для выращивания чистого алмаза. [49] [58] [60]
Алмазные нанокристаллы (5 нм (2,0 × 10 -7 дюймов) в диаметре) 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. Находясь в воде, камера после взрыва быстро охлаждается, подавляя превращение вновь полученного алмаза в более стабильный графит. [61] В одном из вариантов этого метода в детонационную камеру помещается металлическая трубка, наполненная графитовым порошком. Взрыв нагревает и сжимает графит до степени, достаточной для его превращения в алмаз. [62] 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)). [50] Восстановленный наноалмазный порошок 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. [63]
Кристаллы алмаза микронного размера можно синтезировать из суспензии графита в органической жидкости при атмосферном давлении и комнатной температуре с помощью ультразвуковой кавитации . Выход алмазов составляет около 10% от массы исходного графита. Ориентировочная стоимость алмазов, полученных этим методом, сопоставима со стоимостью алмазов, полученных методом HPHT; кристаллическое совершенство продукта существенно 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 возможность потенциального повышения эффективности и снижения стоимости ультразвукового синтеза. [51] [64]
Традиционно отсутствие дефектов кристалла считается важнейшим качеством бриллианта. Чистота и высокое кристаллическое совершенство делают бриллианты прозрачными и прозрачными, а твердость, оптическая дисперсия (блеск) и химическая стабильность (в сочетании с маркетингом) делают их популярным драгоценным камнем. Высокая теплопроводность также важна для технических применений. Хотя высокая оптическая дисперсия является неотъемлемым свойством всех алмазов, другие их свойства различаются в зависимости от того, как был создан алмаз. [65]
Алмаз может представлять собой один сплошной кристалл или состоять из множества более мелких кристаллов ( поликристалл ). Большие, чистые и прозрачные монокристаллические алмазы обычно используются в качестве драгоценных камней. Поликристаллический алмаз (ПКД) состоит из множества мелких зерен, которые легко увидеть невооруженным глазом благодаря сильному поглощению и рассеянию света; он непригоден для драгоценных камней и используется в промышленности, например, в горнодобывающих и режущих инструментах. Поликристаллический алмаз часто характеризуют средним размером (или размером зерна ) кристаллов, из которых он состоит. Размеры зерен варьируются от нанометров до сотен микрометров , их обычно называют «нанокристаллическими» и «микрокристаллическими» алмазами соответственно. [66]
Твердость алмаза составляет 10 по шкале твердости минерала Мооса , это самый твердый из известных материалов по этой шкале. Алмаз также является самым твердым из известных материалов из-за его устойчивости к вмятинам. [67] Твердость синтетического алмаза зависит от его чистоты, кристаллического совершенства и ориентации: твердость выше у безупречных, чистых кристаллов, ориентированных в направлении [111] (вдоль самой длинной диагонали кубической решетки алмаза). [68] Нанокристаллический алмаз, полученный методом CVD-выращивания алмаза, может иметь твердость 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. [67] [69] [70]
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 намеренно, чтобы контролировать определенные свойства алмаза. Процессы выращивания синтетического алмаза с использованием растворителей-катализаторов обычно приводят к образованию ряда примесных комплексных центров с участием атомов переходных металлов (таких как никель, кобальт или железо), которые влияют на электронные свойства материала. [71] [72]
Например, чистый алмаз является электрическим изолятором , а алмаз с добавлением бора является электрическим проводником (а в некоторых случаях и сверхпроводником ), [73] что позволяет использовать его в электронных приложениях. Примеси азота препятствуют движению дислокаций решетки (дефектов внутри кристаллической структуры ) и подвергают решетку сжимающим напряжениям , тем самым увеличивая твердость и ударную вязкость . [74]
Теплопроводность CVD-алмаза колеблется от десятков Вт/м 2 К до более 2000 Вт/м 2 К в зависимости от дефектов, зернограничной структуры. [75] По мере роста алмаза методом CVD зерна растут вместе с толщиной пленки, что приводит к градиенту теплопроводности вдоль направления толщины пленки. [75]
В отличие от большинства электрических изоляторов, чистый алмаз является отличным проводником тепла благодаря прочной ковалентной связи внутри кристалла. Теплопроводность чистого алмаза является самой высокой из всех известных твердых тел. Монокристаллы синтетического алмаза, обогащенные12
С
(99,9%), изотопно чистый алмаз , имеет самую высокую теплопроводность среди всех материалов, 30 Вт/см·К при комнатной температуре, что в 7,5 раз выше, чем у меди. Проводимость природного алмаза снижается на 1,1% за счет13Сестественно присутствует, что действует как неоднородность в решетке. [76]
Теплопроводность алмазов используется ювелирами и геммологами, которые могут использовать электронный термозонд для отделения алмазов от их имитаций. Эти датчики состоят из пары термисторов с батарейным питанием , установленных в тонком медном наконечнике. Один термистор действует как нагревательное устройство, а другой измеряет температуру медного наконечника: если испытуемый камень является алмазом, он будет проводить тепловую энергию наконечника достаточно быстро, чтобы вызвать измеримое падение температуры. Этот тест занимает около 2–3 секунд. [77]
Большинство промышленных применений синтетических алмазов уже давно связано с их твердостью; это свойство делает алмаз идеальным материалом для станков и режущих инструментов . Будучи самым твердым из известных природных материалов, алмаз можно использовать для полировки, резки или стирания любого материала, включая другие алмазы. Обычное промышленное применение этой способности включает сверла и пилы с алмазными напайками, а также использование алмазного порошка в качестве абразива . [78] Это, безусловно, крупнейшие промышленные применения синтетических алмазов. Хотя для этих целей также используется природный алмаз, синтетический HPHT-алмаз более популярен, главным образом из-за лучшей воспроизводимости его механических свойств. Алмаз не подходит для обработки ферросплавов на высоких скоростях, поскольку углерод растворяется в железе при высоких температурах, создаваемых высокоскоростной обработкой, что приводит к значительному увеличению износа алмазных инструментов по сравнению с альтернативами. [79]
Обычная форма алмаза в режущих инструментах представляет собой зерна микронного размера, диспергированные в металлической матрице (обычно кобальте), спеченной на инструменте. В промышленности его обычно называют поликристаллическим алмазом (PCD). Инструменты с наконечниками из PCD можно найти в горнодобывающей и режущей промышленности. За последние пятнадцать лет велись работы по покрытию металлических инструментов CVD-алмазом, и, хотя эта работа многообещающая, она не заменила в значительной степени традиционные инструменты PCD. [80]
Большинство материалов с высокой теплопроводностью также являются электропроводными, например металлы. Напротив, чистый синтетический алмаз имеет высокую теплопроводность, но незначительную электропроводность. Эта комбинация неоценима для электроники, где алмаз используется в качестве распределителя тепла 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. [81] В полупроводниковой технологии синтетические алмазные теплораспределители предотвращают перегрев кремния и других полупроводниковых устройств. [82]
Алмаз тверд, химически инертен, имеет высокую теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения . Эти свойства делают алмаз превосходящим любой другой существующий оконный материал, используемый для передачи инфракрасного и микроволнового излучения. Поэтому синтетический алмаз начинает заменять селенид цинка в качестве выходного окна мощных CO 2 -лазеров [83] 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. [84] [85] Монокристаллические пластины длиной 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 . [86] Недавние достижения в методах синтеза HPHT и CVD позволили улучшить чистоту и совершенство кристаллической структуры монокристаллического алмаза настолько, что он может заменить кремний в качестве материала дифракционных решеток и окон в мощных источниках излучения, таких как синхротроны . [87] [88] Процессы CVD и HPHT также используются для создания дизайнерских оптически прозрачных алмазных наковальнь в качестве инструмента для измерения электрических и магнитных свойств материалов при сверхвысоких давлениях с использованием ячейки с алмазными наковальнями. [89]
Синтетический алмаз потенциально может использоваться в качестве полупроводника [90] , поскольку его можно легировать примесями, такими 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 позволяет получить светодиоды ( светодиоды ), излучающие ультрафиолетовый свет с длиной волны 235 нм. [91] 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. [92] Высокая мобильность благоприятствует работе на высоких частотах, а полевые транзисторы, изготовленные из алмаза, уже продемонстрировали многообещающие высокочастотные характеристики выше 50 ГГц. [93] [94] Широкая запрещенная зона алмаза (5,5 эВ) придает ему превосходные диэлектрические свойства. В сочетании с высокой механической стабильностью алмаза эти свойства используются в прототипах мощных переключателей для электростанций. [95]
В лаборатории изготовлены транзисторы из синтетического алмаза. Они сохраняют работоспособность при гораздо более высоких температурах, чем кремниевые устройства, и устойчивы к химическим и радиационным повреждениям. Хотя ни один алмазный транзистор еще не был успешно интегрирован в коммерческую электронику, он перспективен для использования в условиях исключительно высокой мощности и в агрессивных неокисляющих средах. [96] [97]
Синтетический алмаз уже используется в качестве устройства обнаружения радиации . Он радиационностоек и имеет широкую запрещенную зону 5,5 эВ (при комнатной температуре). Алмаз также отличается от большинства других полупроводников отсутствием стабильного самородного оксида. Это затрудняет изготовление поверхностных МОП-устройств, но создает возможность для УФ-излучения получить доступ к активному полупроводнику без поглощения в поверхностном слое. Благодаря этим свойствам он используется в таких приложениях, как детектор BaBar в Стэнфордском линейном ускорителе [98] и BOLD (слепой к детекторам оптического света для наблюдений Солнца в ВУФ-диапазоне ). [99] [100] Алмазный ВУФ-детектор недавно использовался в европейской программе LYRA .
Проводящий CVD-алмаз является полезным электродом во многих случаях. [101] 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, изменяя тем самым электропроводность алмазной пленки. [102] Кроме того, алмазы можно использовать для обнаружения окислительно-восстановительных реакций, которые обычно невозможно изучить, и в некоторых случаях разлагать окислительно-восстановительные органические загрязнители в системах водоснабжения. Поскольку алмаз механически и химически стабилен, его можно использовать в качестве электрода в условиях, которые разрушили бы традиционные материалы. В качестве электрода синтетический алмаз может быть использован при очистке сточных вод, органических стоках [103] и производстве сильных окислителей. [104]
Синтетические алмазы для использования в качестве драгоценных камней выращиваются методами HPHT [38] или CVD [105] и по состоянию на 2013 год составляли примерно 2% рынка алмазов ювелирного качества. [106] Однако есть признаки того, что рыночная доля синтетических алмазов Производство алмазов ювелирного качества может вырасти, поскольку технологические достижения позволяют увеличить производство синтетических бриллиантов более высокого качества в более экономичных масштабах. [107] Они доступны в желтом, розовом, зеленом, оранжевом, синем и, в меньшей степени, бесцветном (или белом). Желтый цвет обусловлен примесями азота в процессе производства, а синий — бором. [36] Другие цвета, такие как розовый или зеленый, можно получить после синтеза с использованием облучения. [108] [109] Некоторые компании также предлагают мемориальные алмазы , выращенные из кремированных останков. [110]
Алмазы ювелирного качества, выращенные в лаборатории, могут быть химически, физически и оптически идентичны природным алмазам. Алмазная отрасль приняла правовые, маркетинговые и дистрибьюторские контрмеры, чтобы попытаться защитить свой рынок от появляющегося присутствия синтетических алмазов. [111] [112] Синтетические алмазы можно отличить 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. [113]
По крайней мере, один производитель выращенных в лаборатории бриллиантов публично заявил о своей «готовности раскрыть» природу своих бриллиантов и нанес серийные номера с помощью лазера на все свои драгоценные камни. [105] На веб-сайте компании показан пример надписи на одной из ее лазерных надписей, которая включает в себя как слова « Gemesis создан», так и префикс серийного номера «LG» (выращено в лаборатории). [114]
В мае 2015 года был установлен рекорд бесцветного HPHT-бриллианта весом 10,02 карата. Ограненный драгоценный камень был вырезан из камня весом 32,2 карата, который был выращен примерно за 300 часов. [115] К 2022 году производились алмазы ювелирного качества весом 16–20 каратов. [116]
Традиционная добыча алмазов привела к нарушениям прав человека в Африке и других алмазодобывающих странах. Голливудский фильм 2006 года «Кровавый алмаз» помог привлечь внимание общественности к этой проблеме. Потребительский спрос на синтетические бриллианты растет, хотя и незначительно, поскольку покупатели ищут камни, которые являются этически обоснованными и дешевле. [117]
Согласно отчету Совета по содействию экспорту драгоценных камней и ювелирных изделий, на синтетические бриллианты приходилось 0,28% алмазов, произведенных для использования в качестве драгоценных камней в 2014 году. [118] В апреле 2022 года CNN Business [119] сообщил, что обручальные кольца с синтетическими или Количество выращенных в лаборатории бриллиантов подскочило на 63% по сравнению с предыдущим годом, а количество проданных обручальных колец с натуральными бриллиантами за тот же период сократилось на 25%.
Примерно в 2016 году цена на синтетические алмазы (например, камни весом в 1 карат) начала «стремительно» падать примерно на 30% за год, став явно ниже, чем на добытые алмазы. [120] По состоянию на 2017 год синтетические алмазы, продаваемые в качестве ювелирных изделий, обычно продавались на 15–20% дешевле, чем природные эквиваленты; Ожидалось, что относительная цена будет и дальше снижаться по мере улучшения экономики производства. [121]
В мае 2018 года De Beers объявила, что представит новый ювелирный бренд Lightbox с синтетическими бриллиантами. [122]
В июле 2018 года Федеральная торговая комиссия США утвердила существенный пересмотр своих «Руководств по ювелирным изделиям» с изменениями, которые вводят новые правила описания бриллиантов и их имитаций в торговле . [123] Пересмотренные руководства существенно противоречили тому, за что в 2016 году выступала De Beers. [122] [124] [125] Новые руководящие принципы исключают слово «природный» из определения «бриллианта», тем самым включая выращенные в лаборатории бриллианты в сферу определения «бриллианта». В пересмотренном руководстве далее говорится: «Если маркетолог использует слово «синтетический», подразумевая, что выращенный в лаборатории бриллиант конкурента не является настоящим бриллиантом… это будет обманчиво». [126] [124] В июле 2019 года сторонняя лаборатория по сертификации бриллиантов GIA (Геммологический институт Америки) исключила слово «синтетический» из своего процесса сертификации и отчета о выращенных в лаборатории бриллиантах, согласно редакции FTC. [127]