Производство искусственных алмазов (стр. 2 из 4)
Вместе с тем природные алмазы не могут полностью удовлетворить потребности науки, техники и промышленности. Например, инструментальной, металло- и камнеобрабатывающей отраслям нужно примерно в 4 раза больше алмазов, чем их добывается из земли. А в ряде высокотехнологичных областей — при изготовлении оптических окон, элементов пассивной и активной электроники, датчиков ультрафиолетового и ионизирующего излучения природное сырье зачастую использовать нельзя.
В первую очередь это связано с тем, что разброс физических свойств природных кристаллов алмаза очень широк — и это во многом исключает возможность их применения в серийных изделиях и приборах, чувствительных к свойствам используемого материала.
Другой проблемой является то, что подавляющее большинство природных кристаллов алмаза (примерно 98%) содержит в качестве примеси азот (1 атом азота на 1 000— 100 000 атомов углерода), наличие которого сказывается на свойствах алмаза. Проблемой является также несовершенство кристаллической структуры добываемых кристаллов и неравномерного распределения примесей. [3]
Всегда существовала необходимость получить алмаз лабораторным способом, и, желательно, недорогим.
Первые документально зафиксированные опыты над алмазами относятся к 1694 году. Флорентийские ученые Аверани и Тарджиони продемонстрировали с помощью зажигательного стекла, что алмаз горит, если его нагреть до достаточно высокой температуры. На протяжении последующих веков велись непрерывные эксперименты по исследованию самого прочного в мире минерала (И. Ньютон, А. Лавуазье, С. Теннант, Х. Дэви, М. Фарадей, Г. Розе), после которых стало ясно, что «величайшая драгоценность» в химическом отношении полностью аналогична графиту, углю и саже. Экспериментаторы, разумеется, пытались получить эту «драгоценность» из указанных веществ (В. Каразин, Б. Хэнней, К. Хрущов, А. Муассан). Однако по причине почти полного отсутствия информации о физико-химических свойствах алмаза и графита и несовершенства техники того времени цель так и не была достигнута.
Лишь в 1939 году молодой сотрудник Института химической физики АН СССР Овсей Лейпунский выполнил расчет линии равновесия графит-алмаз. Эта работа впервые обозначила возможные способы промышленного получения камня. Лейпунский рассчитал оценочные значения давления и температуры, необходимые для осуществления превращения графита в алмаз. Впоследствии его расчеты были несколько уточнены и подтверждены экспериментально.
Следующим этапом на пути к решению проблемы получения алмаза явилась разработка аппаратуры, обеспечивающей создание и поддержание в течение длительного интервала времени необходимых высоких давлений и температур.
Большой вклад в развитие техники высоких давлений был внесен Нобелевским лауреатом Перси Бриджменом, разработавшим принципы действия аппаратов высокого давления. [4]
2.3 Метод температурного градиента
Многолетние усилия ученых и конструкторов завершились в 1953— 1954 годах успешными опытами по выращиванию алмаза. Успеха добились исследовательские группы компаний ASEA (Швеция) и General Electric (США). Полученные образцы были очень далеки от совершенства и имели размер менее 1 мм.
Шведы и американцы использовали схожие технологии — графит в смеси с металлом (растворителем углерода) помещался в твердую сжимаемую среду. Необходимое давление (70000—80000 атмосфер) создавалось мощным гидравлическим оборудованием. Нагрев осуществлялся до температур 1 600—2500°С в течение двух минут.
Кристаллизация алмазов происходила за счет того, что расплав металла (железо) при высоком давлении и температуре оказывается ненасыщенным углеродом по отношению к графиту и пересыщенным по отношению к алмазу. При таких условиях термодинамически выгоднее оказывается образование алмаза и растворение графита. Получаемое в настоящее время по данной технологии сырье — это преимущественно алмазные порошки с размером зерна 0,001—0,6 мм (максимально 2 мм) и концентрацией азота более 1019 атомов/см3.
Рисунок 2.1. Оборудование для производства алмаза
В начале 60-х годов советские ученые Б. Дерягин и Б. Спицын и независимо от них американец В. Эверсол предложили принципиально иной CVD-способ получения алмаза, не требующий использования больших давлений. Суть его состоит в том, что углеродсодержащий газ (например, метан) в смеси с водородом и кислородом разлагают при атмосферном или пониженном давлении, и атомы углерода осаждаются на поверхности затравочных кристаллов алмаза, что приводит к их росту. Однако получаемые кристаллы имели ограничения по качеству. Несмотря на определенные успехи в деле выращивания алмазов, оставалась одна нерешенная задача — получение крупных монокристаллов ювелирного качества. Лишь в 1967 году Роберт Венторф запатентовал способ («метод температурного градиента»), позволивший решить данную проблему. Движущей силой кристаллизации алмаза в этом методе является перепад концентрации растворенного в металле углерода, обусловленный разностью температур в реакционном объеме. Источник углерода располагают в наиболее горячей зоне, а алмазную затравку (кристалл алмаза размером около 0,5 мм) в области с более низкой температурой. Металл-растворитель плавится и насыщается углеродом. Однако степень насыщения из-за разницы температур будет неравномерной. Равновесная концентрация углерода в расплаве на границе раздела расплав — источник углерода будет выше, чем на границе раздела расплав — алмазная затравка. Возникающий градиент концентрации приводит к диффузии углерода от источника к затравочным кристаллам, у которых расплав оказывается перенасыщенным — из него происходит осаждение углерода, вызывающее рост алмазного кристалла-затравки. Это очень остроумный метод, основанный на хорошем понимании того множества процессов, которые происходят в термодинамически неравновесных средах, — в данном случае перепад температур одновременно обеспечивает доставку нужного для роста алмаза углерода и гарантирует его осаждение на затравку. [5]
Первоначально людей в алмазе привлекала только его необычайная твердость, и ценился он ниже некоторых других минералов. Лишь в середине XV века придворный ювелир герцога Бургундии Карла Смелого знаменитый Луи ван Беркем придумал первый вариант так называемой бриллиантовой огранки, позволившей достаточно полно выявить блеск и игру цветов алмаза. Яркий блеск ограненного алмаза обусловлен его высоким показателем преломления (2,42), а разноцветная игра — сильной дисперсией (способностью кристалла разлагать белый свет на отдельные спектральные составляющие).
При огранке и полировке алмазов используют абразивные порошки из того же самого алмаза. Одинаковая твердость абразива и обрабатываемого материала создает определенные проблемы при таких работах. У алмаза, как у большинства кристаллов, разные грани имеют неодинаковую твердость. Труднее всего поцарапать так называемую грань (111), на которой атомы углерода расположены наиболее плотно. Именно при обработке поверхностей, параллельных данной кристаллографической грани, у ювелиров и технологов возникают особые трудности.
Рисунок 2.2. Тиснумиты
Технологи ищут пути повышения твердости выращиваемых алмазов путем целенаправленного их легирования различными примесями, а также пытаются синтезировать вещества покрепче самого минерала. Уже более 10 лет в научных кругах обсуждаются углеродные материалы, получаемые при высоких давлениях и температурах из молекул фуллерена С60. Среди синтезируемых кристаллических и аморфных структур особо интересна модификация фуллерита с большой долей «алмазоподобных» межатомных связей — до 80%. Остальная часть химических связей в этом веществе более прочная, чем алмазная, и подобна той, что соединяет атомы в плоскостях графита, в молекуле С60 и стенках углеродных нанотрубок. Структура расположения атомов углерода в этом состоянии обеспечивает изотропность его механических свойств и отсутствие так называемых «легких» плоскостей скалывания, имеющихся у кристаллов алмаза. Как полагают, именно такая «рваная» и сильно напряженная кристаллическая структура и обеспечивает данному материалу твердость выше, чем у знаменитой грани (111) алмаза. Этот материал, названный «тиснумит», уже нашел применение в сверхпрочных наконечниках зондовых сканирующих микроскопов NanoSkan. Недавно ученые из Германии открыли новый вариант алмазоподобной структуры: агрегированные алмазные наностержни (Aggregated Carbon NanoRods), с плотностью и твердостью на несколько процентов большими, чем у обычного кристаллического алмаза. Ожидается, что такой материал ACNR найдет применение в различных нанотехнологиях.
Первые алмазы ювелирного качества с помощью метода температурного градиента были получены в 1970 году в компании General Electric. За одну неделю под давлением 55000— 60000 атмосфер и 1 450°С при градиенте в 30 градусов были выращены кристаллы массой 1 карат и длиной 5 мм. Однако рукотворные камни по стоимости производства превосходили природные аналоги. Постепенно аппаратура и методы получения крупных монокристаллов совершенствовались. В настоящее время можно выделить две наиболее распространенные технологии: выращивание алмаза из углеродсодержащей газовой смеси и кристаллизация в условиях высоких статических давлений и температур. Оба метода позволяют создавать крупные и структурно совершенные кристаллы и управлять их химическим составом. В последнее время широкое распространение получил метод роста алмаза из газовой фазы, активированной микроволновым излучением. При этом углеродсодержащий газ (например, метан) в смеси с водородом ионизируется, попадая в зону действия излучения, создаваемого сверхвысокочастотным генератором. Из образовавшейся плазмы, содержащей атомарный углерод, происходит его осаждение на подложку, где и растет сам кристалл. В качестве подложки для получения монокристаллов используются пластины из выращенного или природного алмаза. Температуру подложки за счет нагрева плазмой поддерживают в диапазоне 800°— 1000°C. Параметры процесса должны строго контролироваться, поскольку все они, включая кристаллическое совершенство подложки, ее температуру и соотношение ионов в плазме, сильно влияют на качество растущего алмаза. Большинство получаемых по данной технологии кристаллов имеет коричневатый оттенок и требуют последующей термообработки для улучшения цвета.