ラボグロウン・ダイヤモンドの製造方法：HPHT法とCVD法

はじめに

ラボグロウンダイヤモンドは、採掘されたダイヤモンドに代わる近代的なダイヤモンドです。それらは天然ダイヤモンドと同じ化学的構成を持っています。これらは、制御された条件で栽培されています。我々は、ラボグロウンダイヤモンドを作成する2つの主要なプロセスを説明します。

ラボグロウンダイヤモンドとは何ですか？

ラボグロウンダイヤモンドは、地中ではなく実験室で成長させた結晶です。純粋な炭素から作られます。それらは、天然ダイヤモンドが共有するsp³結合と立方晶の結晶構造を持っています。化学的にも同じです。彼らはほとんどの場合、輝きと硬さで本質的に同じです。

これらのダイヤモンドの主な利点は、採掘がないので倫理的な調達です。環境への影響はごくわずかで、コストは採掘されたダイヤモンドよりも安い。また、最終製品の品質管理も容易です。このような理由から、工業用途だけでなく、宝飾品としても好まれているのです。

ダイヤモンド成長技術の概要

ダイヤモンドの合成の歴史は1950年代と古く、ダイヤモンドが自然の外で形成できるかどうかを調べるために最初の実験が行われました。現在の時代は、2つの確立されたプロセスを誇っています。

最初の方法は、高圧高温プロセスです。これは地球の奥深くで何百万年もかけてダイヤモンドが形成される自然のプロセスを模倣したものである。二つ目の方法は、化学蒸着法である。化学気相成長法は、ダイヤモンドを原子ごとに成長させるもので、成長過程を正確に制御することができます。

どちらのプロセスも時代とともに改良されてきました。どちらにも条件と歯車があります。どちらも異なる用途に利用することができます。両プロセスの特徴と利点について学びましょう。

高圧高温法

高圧高温成長の原理

このプロセスは、ダイヤモンド形成が非常に厳しい条件を含むという事実に依存しています。圧力は5～6ギガパスカル。温度は1500～1600℃付近に維持される。この条件は、グラファイトからダイヤモンドへの変化を促進する。このような極端な条件下で変態がサポートされる。このプロセスは自然のプロセスに似ているが、非常に短時間で行われる。

装置とセットアップ

このプロセスには特別な装置が必要である。プレスシステムは様々です。キュービックプレス、ベルトプレス、スプリットスフィア（またはバーズプレス）システムが一般的である。これらの装置では、高い圧力と温度を管理することができる。 これらの装置は、成長プロセスに制御されたシステムを与える。

プロセスのステップ

この方法は、小さなダイヤモンドの種から始まります。炭素源を加え、極限状態にする。鉄、ニッケル、コバルトなどの溶融金属触媒を投入する。触媒は炭素原子がダイヤモンドの形に整列するのを助ける。成長は非常に遅い。ダイヤモンドの結晶は、時間をかけて種から外側に積み重なっていく。サイズや品質にもよりますが、数時間から数日かかることもあります。

典型的な特徴

このプロセスで形成されたダイヤモンドは、弱い黄色味を帯びることがあります。この黄色味を帯びる原因は、成長中に窒素が導入されるためです。また、明確なインクルージョン・パターンと目に見える成長ゾーンが見られます。工業用グレードだけでなく、宝石グレードのダイヤモンドが生成されることがあります。産業におけるこれらのダイヤモンドのほとんどの用途は、その物理的特性が切断、掘削、研削などの操作に適しているという事実のために存在している。

化学蒸着プロセス

化学気相成長法の原理

化学気相成長プロセスは独特である。水素やメタンなどの炭化水素ガスの混合から始まります。真空チャンバー内の気相中で炭素プラズマが生成される。原子が基板上に落下し、ダイヤモンドの層が形成される。このプロセスにより、科学者は生成されるダイヤモンドの純度と構造をより細かく制御できるようになる。

プロセスのステップ

この方法では、まず清浄な基板を準備する。この基板には通常、微小なダイヤモンドの種が含まれている。その後、真空チャンバー内でプロセスが行われます。炭化水素ガスの解離には、マイクロ波プラズマまたはホットフィラメントが使用されます。炭素原子が放出され、基板上に堆積する。成長速度、チャンバー温度、ガスの比率は注意深く制御される。この正確な積み重ねにより、非常に均一なダイヤモンドの層が形成され、金属介在物をあまり含まないダイヤモンドができることが多い。

ダイヤモンドの品質

化学気相成長法では、非常に純粋なダイヤモンドが得られる可能性が高い。そのほとんどは無色で、タイプIIaダイヤモンドと呼ばれます。これらのダイヤモンドは内部構造が非常に均一です。この方法では、ほとんどの場合、高圧高温法に比べて欠陥が少なくなります。ダイヤモンドは非常に透明で、特性が制御されているため、高品質のジュエリーに最適です。半導体は、これらの高品質のダイヤモンドを多くの用途にも利用しています。

結論

ラボダイヤモンドは、高度な技術と数十年にわたる研究の成果です。高圧高温法は、自然を再現するものです。高圧高温法では、強い圧力と熱を触媒とともに用いて、グラファイトをダイヤモンドに変えます。化学気相成長法は、実験室でダイヤモンドを原子ごとに構築する。どちらの方法にも長所と短所があります。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

よくある質問

Q: 天然ダイヤモンドとラボグロウンダイヤモンドの最大の違いは何ですか？

A: ラボグロウン・ダイヤモンドは研究所で製造されますが、天然ダイヤモンドは地中で形成されます。

Q: なぜ高圧高温プロセスを選ぶのですか？

A: 高圧高温プロセスは、天然に近い方法でダイヤモンドが生成されるためです。

Q: 化学気相成長法は、どのようにしてダイヤモンドの品質を保証するのですか？

A: 化学気相成長法では、ダイヤモンドを均一に成長させるため、厳密な管理のもと、原子ごとにダイヤモンドを形成します。