單晶金剛石及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種單晶金剛石，其由碳同位素12C的濃度為99.9質(zhì)量%以上的碳以及除了碳以外的多種不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。該不可避免的雜質(zhì)包括氮、硼、氫和鎳；并且所述多種不可避免的雜質(zhì)中的氮、硼和氫的總含量設(shè)定為0.01質(zhì)量%以下。為了制得這種單晶金剛石，首先對(duì)碳同位素12C的濃度為99.9質(zhì)量%以上的烴類氣體進(jìn)行脫氮處理（S1）。在真空室中，經(jīng)過脫氮處理的烴類氣體（例如）在1200℃至2300℃（包括端值）的溫度下在基底上熱分解，從而制得碳原料（S2）。用這種碳原料合成金剛石，并且從該金剛石上切割出籽晶（S3）。將所述籽晶與溶劑和碳原料一同容納在腔體中，通過高溫高壓合成方法由所述籽晶生長(zhǎng)出單晶金剛石（S4）。
【專利說明】單晶金剛石及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單晶金剛石及其制造方法，具體而言涉及具有高純度和高硬度的單晶金剛石及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單晶金剛石用于(例如)與工具(如切削工具)、音響、光學(xué)、電子器件等相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。該單晶金剛石包括被稱作IIa型金剛石和Ib型金剛石的金剛石。IIa型金剛石是基本上不含作為雜質(zhì)的氮的高純度金剛石，Ib型金剛石為含雜質(zhì)的金剛石，其包含約0.1%的作為雜質(zhì)的氮?；谶@些金剛石間的硬度比較，人們已經(jīng)知道IIa型金剛石比Ib型金剛石更堅(jiān)硬。
[0003]例如，H.Sumiya 在 Diamond&Related Materials,第 15 卷(2006),第 1576-1579 頁(非專利文獻(xiàn)I)中描述了努普硬度隨溫度而變化的IIa型金剛石。
[0004]另一方面，12C和13C為已知的碳同位素。例如，日本專利特開第4-92894號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)和日本專利特開第4-92896號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)描述了可通過調(diào)節(jié)這種碳同位素12C或13C的含量以及氮的含量來得到導(dǎo)熱性優(yōu)異的氣相合`成金剛石。
[0005]引用列表
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開第4-92894號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本專利特開第4-92896號(hào)公報(bào)
[0009]非專利文獻(xiàn)
[0010]非專利文獻(xiàn)1:H.Sumiya, Diamond&Re lated Materials,第 15 卷(2006)，第1576-1579 頁
[0011]非專利文獻(xiàn)2:T.R Anthony 等人，Diamond&Re lated Materials,第 I 卷(1992),第 717-726 頁

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]技術(shù)問題
[0013]如以上專利文獻(xiàn)I和2所述，在含有碳同位素的常規(guī)金剛石中，已從提高導(dǎo)熱性的角度出發(fā)設(shè)計(jì)了金剛石中碳同位素或氮的含量。然而，這些文獻(xiàn)中所描述的發(fā)明基本上是為了提高金剛石的導(dǎo)熱性而規(guī)定碳同位素或氮的濃度，而不是為了提高金剛石的硬度而規(guī)定碳同位素或氮的濃度。
[0014]據(jù)認(rèn)為，金剛石的硬度隨著碳同位素13C濃度的提高而增加。這是因?yàn)槔碚撋险J(rèn)為更高的碳同位素13C含量會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的結(jié)合，并使金剛石的硬度更高。然而，由于碳同位素13C以僅僅1.1%的天然豐度比存在，因此提高碳同位素13C的濃度需要高成本。因此，簡(jiǎn)單地提高碳同位素13C的濃度來提高金剛石的硬度在工業(yè)上是不實(shí)用的。此外，正如在T.RAnthony 等人在 Diamond&Related Materials 第 I 卷(1992),第 717-726 頁中所報(bào)道的，即使碳同位素13C的濃度確實(shí)增加了，與具有天然豐度比的金剛石相比仍沒有太大差別。這是因?yàn)槲闯浞殖シ菍＠墨I(xiàn)2的金剛石中除同位素以外的雜質(zhì)。
[0015]此外，本申請(qǐng)的發(fā)明人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，作為雜質(zhì)的鎳(Ni)的存在會(huì)對(duì)通過使碳同位素富集而制造的單晶金剛石的高溫硬度特性產(chǎn)生不利影響。
[0016]于是，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠通過利用碳同位素12C從而實(shí)現(xiàn)更高硬度的單晶金剛石及其制造方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣一種單晶金剛石及其制造方法，其中該單晶金剛石能夠通過利用碳同位素12C從而實(shí)現(xiàn)更高的金剛石硬度，此外通過適當(dāng)調(diào)節(jié)雜質(zhì)還實(shí)現(xiàn)了高溫硬度特性。
[0017]問題的解決方案
[0018]本發(fā)明一個(gè)方面中的單晶金剛石由碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的碳和除了碳以外的多種不可避免的雜質(zhì)組成。所述不可避免的雜質(zhì)包括氮、硼、氫和鎳，并且所述多種不可避免的雜質(zhì)中的氮、硼和氫的總含量不高于0.01質(zhì)量％。應(yīng)當(dāng)注意的是，碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的碳意味著除了碳同位素12C以外的碳同位素(如13C和14C)的含量低，并且碳當(dāng)中的這些同位素的濃度即使合起來也低于0.1質(zhì)量％。
[0019]氮和硼的含量?jī)?yōu)選小于氫的含量。此外，不可避免的雜質(zhì)可以包含(例如)不高于0.0001質(zhì)量％的氮、不高于0.0001質(zhì)量％的硼、低于0.01質(zhì)量％的氫、以及不高于0.00001質(zhì)量％的鎳。單晶金剛石優(yōu)選具有不低于130GPa的努普硬度。優(yōu)選的是，在單晶金剛石的(001)面內(nèi)的〈110〉方向上發(fā)生努普硬度降低的閾值超過240°C。 [0020]根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的一種制造單晶金剛石的方法，包括以下步驟:通過使用碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的經(jīng)過脫氮處理的烴類氣體，在真空室內(nèi)、在大于等于600°C小于等于2300°C的溫度下，制備經(jīng)氣相合成而合成得到的金剛石、或者通過在不低于1800°C的溫度下對(duì)所述金剛石進(jìn)行退火而制得的除碳以外的雜質(zhì)量不高于0.01質(zhì)量％的碳原料、或者通過在基材上將所述烴類氣體熱分解而獲得的碳原料(如石墨)；從通過使用所述碳原料而獲得的固體碳上切割出籽晶；以及在將所述籽晶與溶劑和所述碳原料一同容納在腔體中的同時(shí)，通過高溫高壓合成方法由所述籽晶生長(zhǎng)出單晶金剛石。
[0021]腔體可以由(例如)無碳Fe形成。在這種情況下，優(yōu)選的是，在將籽晶、溶劑、以及碳原料容納于腔體中之后，通過在不高于KT3Pa的真空中將腔體密封，從而防止將大氣中的碳同位素13C和氮引入腔體中。此外，優(yōu)選的是，用于所述高溫高壓合成方法中的加熱器的表面被石墨、類金剛石碳、氣相合成金剛石或熱分解碳等固體碳覆蓋，其中在所述石墨、類金剛石碳、氣相合成金剛石或熱分解碳中，碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％并且除碳以外的雜質(zhì)不高于0.01質(zhì)量％。例如，可將以下合金材料用作所述溶劑:在該合金材料中，晶體粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti顆粒已經(jīng)析出在Fe-Co合金中。
[0022]本發(fā)明另一個(gè)方面中的單晶金剛石由碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的碳和除了碳以外的多種不可避免的雜質(zhì)組成。所述不可避免的雜質(zhì)包括氮、硼和氫，但不包括Ni，并且所述多種不可避免的雜質(zhì)中的氮、硼和氫的總含量不高于0.01質(zhì)量％。應(yīng)當(dāng)注意的是，碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的碳意味著除了碳同位素12C以外的碳同位素(如13C和14C)的含量低，并且碳當(dāng)中的這些同位素的總濃度即使合起來也低于0.1質(zhì)量％。
[0023]氮和硼的含量?jī)?yōu)選小于氫的含量。此外，不可避免的雜質(zhì)可以包括不高于0.0001質(zhì)量％的氮、不高于0.0001質(zhì)量％的硼、以及低于0.01質(zhì)量％的氫。單晶金剛石優(yōu)選具有不低于130GPa的努普硬度。優(yōu)選的是，在單晶金剛石的(OOl)面內(nèi)的〈110〉方向上發(fā)生努普硬度降低的閾值高于400°C。
[0024]根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面中的一種制造單晶金剛石的方法，包括以下步驟:通過使用碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的經(jīng)過脫氮處理的烴類氣體，在真空氣氛或惰性氣體氣氛中、在大于等于600°C小于等于2300°C的溫度下，制備通過氣相合成而合成得到的碳材料、或者通過在不低于1800°C的溫度下對(duì)所述碳材料進(jìn)行退火而制得的除碳以外的雜質(zhì)量不高于0.01質(zhì)量％的碳原料、或者通過在不含Ni的基材上將所述烴類氣體熱分解而獲得的諸如石墨之類的碳原料；從通過使用所述碳原料獲得的固體碳上切割出籽晶；以及在將所述籽晶與不含鎳的溶劑和所述碳原料一同容納在腔體中的同時(shí)，通過高溫高壓合成方法由所述籽晶生長(zhǎng)出單晶金剛石。
[0025]腔體可以由(例如)無碳鐵(Fe)形成。在這種情況下，優(yōu)選的是，在將籽晶、溶劑、以及碳原料容納于腔體中之后，通過在不高于KT3Pa的真空中將所述腔體密封，從而防止將大氣中的碳同位素13C和氮引入所述腔體中。此外，優(yōu)選的是，用于所述高溫高壓合成方法中的加熱器的表面被 石墨、類金剛石碳、氣相合成金剛石、或熱分解碳覆蓋，其中在所述石墨、類金剛石碳、氣相合成金剛石、或熱分解碳中，碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％并且除碳以外的雜質(zhì)不高于0.01質(zhì)量％。
[0026]本發(fā)明的效果
[0027]在本發(fā)明一個(gè)方面的單晶金剛石中，碳中碳同位素12C的濃度升高至99.9質(zhì)量％以上，并且不可避免的雜質(zhì)的含量大幅降低至0.01質(zhì)量％以下，這樣能夠提高單晶金剛石的硬度，并且能夠抑制由于溫度導(dǎo)致的硬度降低。非專利文獻(xiàn)2中報(bào)道了即使提高碳同位素13C的濃度以期望實(shí)現(xiàn)更高的硬度，但與碳同位素比等于天然豐度比的金剛石相比仍沒有太大差別。本發(fā)明基于首次獲得的發(fā)現(xiàn)，即:發(fā)現(xiàn)了未能實(shí)現(xiàn)如非專利文獻(xiàn)2中所期望的高金剛石硬度的原因在于未充分去除碳同位素以外的雜質(zhì)。也就是說，已經(jīng)明確了這樣的效果:即使被認(rèn)為是硬度不高的碳同位素12C也能夠比碳同位素比等于天然豐度比的金剛石具有更高的硬度，此外，高溫硬度特性也可以更高。
[0028]在本發(fā)明一個(gè)方面的制造單晶金剛石的方法中，由于形成了同位素富集的高純度碳，因此可以獲得含有不低于99.9質(zhì)量％的高純度碳同位素12C、并且不可避免的雜質(zhì)含量極低的碳材料，其中所述同位素富集的高純度碳以如下這些材料為代表:通過對(duì)碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的經(jīng)過脫氮處理的烴類氣體進(jìn)行熱分解而得到的碳、石墨；或者氣相合成金剛石；或者通過在高溫下對(duì)該氣相合成金剛石進(jìn)行脫氣而得到的固體碳。然后，從由所述碳材料合成的金剛石上切割下籽晶，并由該籽晶生長(zhǎng)出單晶金剛石，由此可獲得上述的高硬度單晶金剛石，該單晶金剛石含有高純度的碳同位素12C,并且不可避免的雜質(zhì)含量極低。
[0029]在本發(fā)明另一個(gè)方面的單晶金剛石中，碳中碳同位素12C的濃度提高至99.9質(zhì)量％以上，不可避免的雜質(zhì)的含量大幅降低至0.01質(zhì)量％以下，并且不含Ni，由此實(shí)現(xiàn)了單晶金剛石的高硬度，并同時(shí)還能夠提高單晶金剛石的高溫硬度特性。
[0030]在本發(fā)明另一個(gè)方面的制造單晶金剛石的方法中，形成了同位素富集的高純度碳，因此可獲得含有不低于99.9質(zhì)量％的高純度碳同位素12C、不可避免的雜質(zhì)的含量極低、并且不含Ni的碳材料，其中上述同位素富集的高純度碳以如下材料為代表:通過在真空或惰性氣氛中對(duì)碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的經(jīng)過脫氮處理的烴類氣體在不含Ni的基材上進(jìn)行熱分解而得到的碳、石墨、或者獲得的氣相合成金剛石；或者通過在高溫下對(duì)該氣相合成金剛石進(jìn)行脫氣而得到的固體碳。然后，從利用碳材料而合成的金剛石中切割出籽晶，利用不含Ni的溶劑和碳材料，由該籽晶生長(zhǎng)出單晶金剛石，由此可獲得上述的高硬度單晶金剛石，該單晶金剛石含有高純度的碳同位素12C,不可避免的雜質(zhì)含量極低，并且不含Ni。
[0031]附圖簡(jiǎn)要說明
[0032]圖1為示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中制造單晶金剛石的流程圖。
[0033]圖2為示出了努普硬度與溫度間的關(guān)系的示意圖。
[0034]圖3為示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中制造單晶金剛石的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下文中將參照?qǐng)D1描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。
[0036]通過提高形成金剛石主體的碳中碳同位素12C的濃度、并且通過大幅降低金剛石中不可避免的雜質(zhì)的濃度，使得本實(shí)施方式中單晶金剛石的硬度高于常規(guī)的普通單晶金剛石的硬度。具體而言，根據(jù)本實(shí)施方式的單晶金剛石由碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的碳以及除了碳以外的多種不可避免的雜質(zhì)組成。
[0037]通常認(rèn)為提高金剛石中碳同位素13C的濃度比提高金剛石中碳同位素12C的濃度能更有助于提高單晶金剛石的硬度。然而，與這一觀點(diǎn)相反，本發(fā)明的特征在于:通過提高金剛石中碳同位素12C的濃度來提高單晶金剛石的硬度。
`[0038]單純提高金剛石中碳同位素12C的濃度不能提高單晶金剛石的硬度。然而，作為本申請(qǐng)的發(fā)明人所進(jìn)行研究的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)通過提高金剛石中碳同位素12C的濃度并且將不可避免的雜質(zhì)的濃度降至低于規(guī)定的水平，從而可提高單晶金剛石的硬度。
[0039]不可避免的雜質(zhì)通?？梢粤信e氮、硼、氫、鎳等，并且這些不可避免的雜質(zhì)的總含量設(shè)定為0.01質(zhì)量％以下。例如，多種不可避免的雜質(zhì)中氮、硼、以及氫的總含量設(shè)定為0.01質(zhì)量％以下。也就是說，金剛石中雜質(zhì)的濃度為大約不高于SMS(二次離子質(zhì)譜)分析的檢出限。金剛石中過渡金屬的濃度為大約不高于ICP (電感耦合等離子體)分析或SIMS分析的檢出限。在本實(shí)施方式中，具體而言，優(yōu)選顯著降低氮、硼、鎳等的含量。
[0040]如上所述，通過提高金剛石中碳同位素12C的濃度(碳同位素的純度)并將不可避免的雜質(zhì)的含量設(shè)定為前所未有的低水平，可以使金剛石晶體中的不均勻性非常低并且晶格之間的結(jié)合可以更強(qiáng)。也就是說，雖然碳同位素12C和碳同位素13C之間的鍵長(zhǎng)或質(zhì)量不同，但是基本上消除了由此產(chǎn)生的鍵長(zhǎng)的不均勻性，因此對(duì)抗外力時(shí)原子間結(jié)合破裂的起始點(diǎn)將變得非常少。因此，可以合成這樣的單晶金剛石，該單晶金剛石的硬度比含1.1%左右(天然豐度比)的碳同位素13C的常規(guī)單晶金剛石硬度的硬度至少高5%。
[0041]應(yīng)該注意的是，對(duì)于僅高度富集了碳同位素12C的單晶金剛石，其硬度等于或稍低于用具有天然豐度比的碳作為碳源合成的單晶金剛石的硬度值。此外，在用CVD(化學(xué)氣相沉積)法富集同位素的情況下，由于金剛石中氫的引入是不可避免的或者結(jié)晶度比高溫和高壓?jiǎn)尉Ц睿虼藛尉Ы饎偸挠捕缺缺緦?shí)施方式中更低。
[0042]在本實(shí)施方式的單晶金剛石中，例如，氮的濃度不低于0.000001質(zhì)量％(0.01ppm)且不高于0.0OOl質(zhì)量％( Ippm),硼的濃度不高于0.0001質(zhì)量％( Ippm),氫的濃度低于0.01質(zhì)量％,并且鎳的濃度不高于0.00001質(zhì)量％ (0.1ppm)ο
[0043]如上,金剛石中氮和硼的含量?jī)?yōu)選小于氫的含量。在本實(shí)施方式中，金剛石中氮和硼的含量大約不高于氫含量的1/100。此外，優(yōu)選的是，鎳的含量也等于或小于氮或硼的含量。在本實(shí)施方式中，鎳的含量大約不高于氫含量的1/1000，并且大約不高于氮或硼含量的1/10。
[0044]如上，通過提高金剛石中碳同位素12C的濃度并降低不可避免的雜質(zhì)的濃度，本實(shí)施方式中單晶金剛石的硬度可以為130GPa以上?？烧J(rèn)為該數(shù)值顯著高于一般高純度金剛石的硬度(大約IOOGPa至120GPa)。 [0045]基于金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，對(duì)于除原料和籽晶不同外用類似步驟合成的、并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素組成的單晶金剛石，具有如非專利文獻(xiàn)I中所示的200°C至230°C的閾值并且出現(xiàn)壓痕。
[0046]相反，在本實(shí)施方式的單晶金剛石中，上述閾值溫度同樣高達(dá)約240°C至400°C。令人驚訝的是，至少到我們能夠進(jìn)行測(cè)量的450°C為止，幾乎觀察不到努普硬度的降低。這里，提及450°C的溫度是因?yàn)樵诘扔诨蚋哂?50°C的溫度下，壓頭(即合成的IIa單晶)無法承受，測(cè)量無法繼續(xù)進(jìn)行。也就是說，獲得以下發(fā)現(xiàn):本實(shí)施方式的單晶金剛石在高溫特性方面同樣優(yōu)于當(dāng)前的單晶金剛石。具體而言，對(duì)于本實(shí)施方式中單晶金剛石的(001)面內(nèi)<110>方向上的努普硬度，240°C至400°C范圍內(nèi)的努普硬度與室溫下的努普硬度的比值不低于0.95。
[0047]現(xiàn)在將參照?qǐng)D1描述本實(shí)施方式中制造單晶金剛石的方法。
[0048]為了制造本實(shí)施方式中的單晶金剛石，準(zhǔn)備了碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的烴類氣體。例如，可以采用甲烷氣體作為烴類氣體。
[0049]然后，如圖1所示，對(duì)烴類氣體進(jìn)行脫氮處理(步驟SI)。例如，使用脫氮過濾器(denitrification filter)對(duì)烴類氣體進(jìn)行脫氮處理。作為脫氮過濾器,可以采用稱為“海綿鈦”的多孔鈦。這里，“海綿鈦”是將鈦?zhàn)鳛榻饘偈褂脮r(shí)最初產(chǎn)生的純鈦?？梢酝ㄟ^用鎂還原四氯化鈦來制造這種“海綿鈦”。將以上“海綿鈦”加熱到300°C至900°C (優(yōu)選500°C以上)并將經(jīng)過加熱的“海綿鈦”與烴類氣體接觸，以便“海綿鈦”能與氮反應(yīng)并且將氮從烴類氣體中除去。
[0050]將如上進(jìn)行了脫氮處理的烴類氣體引入在真空室中，并且在該真空室中，在大致不低于600°C且不高于1300°C的溫度下合成得到氣相合成金剛石，或者在不低于1200°C且不高于2300°C的溫度下將該烴類氣體在基材上熱分解。例如，如圖1所示，可以在基材上制造固相石墨(固體碳)(步驟S2)。石墨中碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％。應(yīng)該注意的是，在石墨生成過程中，優(yōu)選將真空室內(nèi)的真空度設(shè)定為(例如)約20托至100托。
[0051]因而，由于在真空室中由氣相狀態(tài)的烴類氣體氣相合成金剛石，或者通過熱分解在基材上制得固相碳材料，因此如上所述可以極大地降低碳材料中所含雜質(zhì)的量。
[0052]在烴類氣體的熱分解中，優(yōu)選將烴類氣體供向基材?？梢詮幕牡纳戏较蚧墓?yīng)烴類氣體，或者可以沿傾斜方向或水平方向供向基材。
[0053]作為基材，(例如)可以采用Ta、W、Re或其碳化物。此外，也可以將通過除去基材上的碳材料(例如，形成于該基材上的石墨)而獲得的材料用作基材。在這種情況下，可以采用雜質(zhì)含量少的碳材料作為基材，并且能夠進(jìn)一步有效地抑制雜質(zhì)引入碳材料(例如，在其上形成的石墨)中。
[0054]在基材上形成諸如石墨之類的碳材料時(shí)，(例如)優(yōu)選將設(shè)置在真空室中的基材加熱到不低于1200°C的溫度。優(yōu)選將基材加熱到約1500°C至2000°C，并且更優(yōu)選加熱到約1900°C至2000°C?？梢圆捎帽娝苤募夹g(shù)作為加熱方法。例如，可以在真空室內(nèi)設(shè)置這樣的加熱器，該加熱器能夠直接或間接地將基材加熱到不低于1200°C的溫度。應(yīng)該注意的是，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)溫度或壓力等條件，以在碳材料中形成作為下述的籽晶的部分。
[0055]上述石墨等碳材料的密度優(yōu)選為不低于1.4g/cm3。因而，即使由于高溫高壓合成中的壓縮而發(fā)生了體積變化，也能抑制由于腔體的異常變形而導(dǎo)致的加熱器變形，或者抑制因此導(dǎo)致的電阻變化造成的對(duì)晶體生長(zhǎng)的妨礙或晶體生長(zhǎng)失敗。
[0056]然后，由作為碳源的碳材料(如上述石墨)合成了單晶金剛石，其中在該單晶金剛石中，利用了高溫高壓合成方法(例如，不低于5GPa且不低于1300°C)使同位素富集。如圖1所示，(例如)用激光從同位素富集的高純度單晶金剛石上切割籽晶(步驟S3)。單晶金剛石為(例如)平板狀并且包含低應(yīng)變的單晶部分。單晶的尺寸優(yōu)選為大于0.5mmX0.5mm。從這種單晶金剛石上切下低應(yīng)變的籽晶。更具體而言，從單晶金剛石上切下包含(100)面的單晶部分。
[0057]這里，優(yōu)選的是，在用偏光顯微鏡確認(rèn)之后，選擇并切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的一部分，并且將 這部分作為籽晶使用。
[0058]在應(yīng)變相對(duì)較高的部分中，不僅碳同位素12C的濃度低，而且會(huì)發(fā)生雜質(zhì)(例如氮)的凝集等。此外，籽晶中的應(yīng)變會(huì)反映在金剛石晶體的生長(zhǎng)過程中，并且新生長(zhǎng)的晶體也會(huì)具有應(yīng)變，因而也易于將雜質(zhì)引入到金剛石晶體中。因此，當(dāng)切割并使用應(yīng)變相對(duì)較高的部分時(shí)，金剛石晶體的不均勻性高，從而降低了金剛石的硬度。
[0059]在將上述籽晶與溶劑和碳源一起容納于腔體中的同時(shí)，如圖1所示，通過高溫高壓合成法(例如，不低于5GPa且不低于1300°C)由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石(步驟S4)。
[0060]作為溶劑，可以采用以下合金材料:在該合金材料中，粒徑(平均粒徑)大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti顆粒分散存在于高純度Fe-Co合金中。通過采用這種合金材料作為溶劑，可在進(jìn)行脫氮的同時(shí)抑制高溫高壓合成過程中雜質(zhì)的介入。應(yīng)該注意的是，當(dāng)Ti的粒徑大于以上范圍時(shí),趨向于妨礙晶體生長(zhǎng)?；蛘?，當(dāng)Ti的粒徑小于以上范圍時(shí)，氮的去除量是不足的。據(jù)認(rèn)為，Ti顆粒不僅吸附了氮而且吸附了氧，甚至氧化了 Ti顆粒的內(nèi)部。
[0061]合成的溶劑可以由(例如)無碳鐵組成。例如，可以使用富集了同位素的石墨作為碳源。
[0062]在合成單晶金剛石中，將這樣的金剛石合成體系容納于腔體中，在該金剛石合成體系中，自下方起依次布置有籽晶、溶劑、以及碳源。例如，可以采用杯狀腔體作為所述腔體。在不高于10_3Pa的真空中密封該腔體的上表面。這樣可以抑制將大氣中的碳同位素13C和氮引入到腔體中，并且可以將腔體的內(nèi)部基本上設(shè)為真空狀態(tài)。因而，可以抑制大氣中包含的雜質(zhì)氣體(如CO、CO2、NOx、和H2O)的引入。
[0063]在采用如上方法以前，即使使用了碳同位素12C的濃度為99.999%的碳源，甚至也有所得到的金剛石晶體中碳同位素12C的濃度降低至約99%的情況。然而，在本實(shí)施方式中，通過上面的真空密封，所得金剛石晶體中碳同位素12C的濃度能夠不低于99.9%。此外，還可將氮抑制至PPb級(jí)。
[0064]優(yōu)選用熱分解碳、石墨、類金剛石碳、或者氣相合成金剛石覆蓋用于高溫高壓合成方法中的加熱器的表面，其中在所述熱分解碳、石墨、類金剛石碳、或者氣相合成金剛石中，碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％，并且除了碳以外的雜質(zhì)濃度不高于0.01質(zhì)量％。因而，能夠抑制將碳同位素13C從環(huán)境引入到金剛石晶體中。
[0065]例如，可將天然石墨用于加熱器。由于這種加熱器含有1.1%以上的碳，因此在實(shí)現(xiàn)碳同位素12C的更高濃度時(shí)，加熱器中的碳被引入到金剛石中則會(huì)成為嚴(yán)重的問題。
[0066]由此，考慮采用以下三種技術(shù)。首先，第一種技術(shù)是這樣一種技術(shù):通過預(yù)先加熱加熱器的表面并將富集了碳同位素12C的甲烷氣體吹至其上，以在加熱器表面上形成石墨層。
[0067]第二種技術(shù)是這樣一種方法:利用石墨作為濺射靶，通過濺射法來覆蓋加熱器的表面，其中該石墨是由得自甲烷氣體的碳同位素12C合成的，其中該甲烷氣體中富集了碳同位素12C。
[0068]第三種技術(shù)類似于在用SEM (掃描電子顯微鏡)等觀察的過程中用石墨覆蓋樣品的方法。即，通過采用如下石墨作為電極并引起電極之間放電，從而用其中富集了碳同位素12C的石墨覆蓋加熱器的方法，其中上述石墨是由得自甲烷氣體的碳同位素12C合成的，其中該甲烷氣體中富集了碳同位素12C。
[0069]然而，并不限于以上三種方法，在以下任何情況中都能得到效果，這些情況為:通過任何方法用石墨覆蓋加熱器的情況；用富集了同位素的石墨制造整個(gè)加熱器的情況；以及用類金剛石碳或金剛石等固態(tài)碳來制造加熱器的情況。
[0070]應(yīng)該注意的是，本實(shí)施方式中的單晶金剛石應(yīng)當(dāng)(例如)在5GPa以上且不低于1350°C的溫度下僅由籽晶生長(zhǎng)得到。
[0071]下面將描述涉及本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的單晶金剛石及其制造方法的例子。
[0072](實(shí)施例1)
[0073]使其中碳同位素12C的濃度為99.9%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。在真空室中，將所述已除去氮的甲烷氣體吹到加熱至1900°C的高溫的Ta基底上。這樣，該甲烷氣體在Ta基底上分解，從而在Ta基底上形成尺寸為IOmmX IOmm的石墨,其中該石墨中的碳同位素12C的濃度不低于99.9%。這里,真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。使用這種石墨作為碳源，通過高溫高壓合成方法來合成高純度金剛石。
[0074]用偏光顯微鏡觀察富集了同位素的高純度金剛石，切割出位于具有極低應(yīng)變的
(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0075]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.9%的石墨覆蓋。
[0076]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0077]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.9質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有140GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0078]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。此外，其硬度最高為約60GPa至70GPa。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高于250°C，在某些單晶中，即使溫度超過400°C時(shí)也幾乎觀察不到硬度下降，并且高溫下的硬度特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石(例如可以列舉的是，硬度仍為IOOGPa至160GPa)。
[0079](實(shí)施例2)
[0080]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。在真空室中，將所述已除去氮的甲烷氣體吹到加熱至19000C的高溫的Ta基底上。這樣，該甲烷氣體在Ta基底上分解，從而在Ta基底上形成尺寸為IOOmmX IOOmm的石墨,其中該石墨中的碳同位素12C的濃度不低于99.99%。使用這種石墨作為碳源，通過高溫高壓合成方法來合成高純度金剛石。
[0081]用偏光顯微鏡觀察富集了同位素的高純度金剛石，由該單晶切割出位于具有極低應(yīng)變的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0082]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150` μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13c，加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.99%的石墨覆蓋。
[0083]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0084]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有142GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0085]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高于260°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0086](實(shí)施例3)
[0087]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。在真空室中，將所述已除去氮的甲烷氣體吹到加熱至1900°C的高溫的Ta基底上。這樣，該甲烷氣體在Ta基底上分解，從而在Ta基底上形成尺寸為IOOmmX IOOmm的石墨,其中該石墨中的碳同位素12C的濃度不低于99.999%。使用這種石墨作為碳源，通過高溫高壓合成方法來合成高純度金剛石。
[0088]用偏光顯微鏡觀察富集了同位素的高純度單晶金剛石，由該單晶切割出位于具有極低應(yīng)變的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0089]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料中具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13c，加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的石墨覆蓋。
[0090]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0091]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有143GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0092]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該 閾值溫度也高于260°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0093](實(shí)施例4)
[0094]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。在真空室中，將所述已除去氮的甲烷氣體吹到加熱至19000C的高溫的Ta基底上。這樣，該甲烷氣體在Ta基底上分解，從而在Ta基底上形成尺寸為IOOmmX IOOmm的石墨,其中該石墨中的碳同位素12C的濃度不低于99.999%。使用這種石墨作為碳源，通過高溫高壓合成方法來合成高純度金剛石。
[0095]用偏光顯微鏡觀察同位素被富集至99%以上的單晶金剛石，由該單晶金剛石(其中同位素被富集至99%以上)切割出位于具有極低應(yīng)變的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0096]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的石墨覆蓋。
[0097]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0098]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.999質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0OOl質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有160GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0099]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):本實(shí)施例的單晶金剛石中，關(guān)于該臨界溫度，如圖2所示，直到超過400°C硬度仍為約160GPa(參照?qǐng)D2中12C (001)〈110〉)，并且其高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石(參照?qǐng)D2中IIa(OOl)〈 100〉)。在圖2中，“12C”是指碳同位素12C的濃度為99.9%，屬于本發(fā)明。此外，在圖2中，標(biāo)記“Ila”表示雜質(zhì)濃度低的金剛石單晶，并且表示碳同位素12C為98.9%±0.1%的金剛石單晶。如圖2所示，在單晶的(001)面中〈110〉方向上，240°C的努普硬度與室溫下的努普硬度的比值不低于0.95。在240°C至400°C的范圍內(nèi)也觀察到類似的這種趨勢(shì)。
[0100]應(yīng)該注意的是，使用了由超高取向的高純度合成金剛石制造的壓頭作為圖2中所示的硬度測(cè)量中的壓頭。此外，在這些壓頭中，選擇能夠在本實(shí)施例的金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上產(chǎn)生壓痕的壓頭作為測(cè)試用壓頭。雖然在過去的測(cè)試中，圖2中由Ila(OOlXllO)表示的樣品中沒有形成壓痕，但是此次通過使用非常堅(jiān)硬的壓頭能夠使各種IIa金剛石產(chǎn)生壓痕。然后，測(cè)定類似的IIa晶體的硬度，其硬度為約140GPa。因而，雖然根據(jù)文獻(xiàn)值是無壓痕的點(diǎn)，但是在圖中仍示出了 IIa的最大值作為參考值。
[0101]如上所得各實(shí)施例中的金剛石具有以下特征。即，由于晶體中電子自旋來源N或核自旋來源13C的排除，因引入痕量氮(局部濃度為O至IOOppb)導(dǎo)致的金剛石的脈沖回波電子自旋共振(ESR)中金剛石Pl中心的線寬小于等于0.035Gauss是非常有特征的，在常規(guī)單晶中不能獲得這樣的結(jié) 果。
[0102](實(shí)施例5)
[0103]使其中碳同位素12C的濃度為99.9%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C )上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.9%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0104]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0105]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.9%
的石墨覆蓋。
[0106]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于IO-3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的石墨作為碳源。
[0107]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.9質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有140GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0108]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。此外，其硬度最高為約60GPa至70GPa。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高于250°C，在某些單晶中，即使溫度超過450°C時(shí)也幾乎觀察不到硬度下降，并且高溫下的硬度特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石(例如可以列舉的是，硬度仍為IOOGPa至160GPa)。
[0109](實(shí)施例6)
[0110]使其中碳同位素12C的濃度為99.99%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C )上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為1OmmX 1Omm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.99%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0111]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0112]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13c，加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.99%的石墨覆蓋。
[0113]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0114]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有142GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0115]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高達(dá)260°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。[0116](實(shí)施例7)
[0117]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.999%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0118]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0119]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13c，加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的石墨覆蓋。
[0120]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0121]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有143GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0122]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高達(dá)260°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0123](實(shí)施例8)
[0124]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.995%。據(jù)認(rèn)為，富集度略微降低的原因是腔體中引入了空氣。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0125]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。[0126]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%
的石墨覆蓋。
[0127]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0128]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.999質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有145GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0129]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，關(guān)于該閾值溫度，直至超過400°C的硬度仍為160GPa等，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0130](實(shí)施例9)
[0131]使其中碳同位素12C的濃度為99.9%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C )上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.9%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0132]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0133]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.9%的類金剛石碳覆蓋。
[0134]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的石墨作為碳源。
[0135]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.9質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有140GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0136]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。此外，其硬度最高為約60GPa至70GPa。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高于250°C，在某些單晶中，即使溫度超過450°C時(shí)也幾乎觀察不到硬度下降，并且高溫下的硬度特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石(例如可以列舉的是，硬度仍為IOOGPa至160GPa)。
[0137](實(shí)施例10)
[0138]使其中碳同位素12C的濃度為99.99%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.99%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0139]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高 純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0140]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.99%的類金剛石碳覆蓋。
[0141]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0142]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有142GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0143]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高達(dá)260°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0144](實(shí)施例11)
[0145]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.999%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0146]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0147]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13c，加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的類金剛石碳覆蓋。
[0148]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0149]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有143GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0150]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高達(dá)260°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
`[0151](實(shí)施例12)
[0152]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.995%。據(jù)認(rèn)為，富集度略微降低的原因是腔體中引入了空氣。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0153]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0154]另一方面，準(zhǔn)備了以下合金材料作為金剛石合成用溶劑:在該合金材料中，粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高純度Fe-Co合金中，并且該合金材料具有已析出了 Ti的結(jié)構(gòu)。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的石墨作為碳源。為了防止從周圍環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的類金剛石碳覆蓋。[0155]然后，將以下金剛石合成體系密封于由無碳Fe制成的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0156]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.999質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有145GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0157]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，關(guān)于該閾值溫度，直至超過400°C的硬度仍為160GPa等，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。 [0158](比較例)
[0159]通過CVD方法，利用碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體來合成單晶金剛石。在該單晶金剛石中，基本上沒有引入諸如氮、硼和鎳之類的雜質(zhì)，但存在約0.01質(zhì)量％以上的氫。本比較例中單晶金剛石的硬度為約90GPa至lOOGPa，并且我們發(fā)現(xiàn)本實(shí)施例中通過高溫高壓合成獲得的單晶金剛石具有更高的硬度。
[0160]下文中將參照?qǐng)D3描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式。
[0161]雖然本實(shí)施方式中的單晶金剛石與上述本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中的單晶金剛石類似，由碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的碳和除了碳以外的多種不可避免的雜質(zhì)組成，但是與上述本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中的單晶金剛石不同的是，本實(shí)施方式中的單晶金剛石不含Ni作為雜質(zhì)。
[0162]作為本申請(qǐng)的發(fā)明人的研究結(jié)果，還發(fā)現(xiàn)可以通過提高金剛石中碳同位素12C的濃度并將不可避免的雜質(zhì)的濃度降低至低于規(guī)定水平從而提高單晶金剛石的硬度，并且可以通過調(diào)節(jié)雜質(zhì)至不含鎳以進(jìn)一步提高高溫下的硬度特性。還發(fā)現(xiàn)了根據(jù)本實(shí)施方式的單晶金剛石在脈沖回波電子自旋共振(ESR)中的譜線寬度銳化，即，應(yīng)變非常低。由于應(yīng)變低，可以預(yù)期應(yīng)用于分析晶體或電源設(shè)備用基底。此外，由于12C的富集度高并且雜質(zhì)的濃度極低，因此不存在13C的核自旋或源自氮和Ni的自旋，這意味著無自旋。因此，可以預(yù)期發(fā)展為量子計(jì)算機(jī)基底的基礎(chǔ)。
[0163]不可避免的雜質(zhì)通?？梢粤信e氮、硼、氫等，這些不可避免的雜質(zhì)的總含量設(shè)定為0.01質(zhì)量％以下。例如，以上多種不可避免雜質(zhì)中的氮、硼、和氫的總含量設(shè)定為0.01質(zhì)量％以下。也就是說，金剛石中雜質(zhì)的濃度為大約不高于SIMS (二次離子質(zhì)譜)分析中的檢出限。金剛石中過渡金屬的濃度為大約不高于ICP (電感耦合等離子體)分析或SIMS分析的檢出限。在本實(shí)施方式中，具體而言，優(yōu)選顯著降低氮、硼等的含量。此外，以上不可避免雜質(zhì)中不包括Ni，并且根據(jù)本實(shí)施方式的單晶金剛石不包含Ni作為雜質(zhì)。這里，“不包含Ni”在這里意味著不高于ICP分析或SMS分析的檢出限。
[0164]如上所述，通過提高金剛石中碳同位素12C的濃度(碳同位素的純度)并將不可避免的雜質(zhì)的含量設(shè)定為前所未有的低水平，可以使金剛石晶體中的不均勻性非常低并且晶格之間的結(jié)合可以更強(qiáng)。也就是說，雖然碳同位素12C和碳同位素13C之間的鍵長(zhǎng)或質(zhì)量不同，但是基本上消除了由此產(chǎn)生的鍵長(zhǎng)的不均勻性，因此對(duì)抗外力時(shí)原子間結(jié)合破裂的起始點(diǎn)將變得非常少。因此，可以合成這樣的單晶金剛石，該單晶金剛石的硬度比含1.1%左右(天然豐度比)的碳同位素13C的常規(guī)單晶金剛石硬度的硬度至少高5%。
[0165]在本實(shí)施方式的單晶金剛石中，(例如)氮的濃度不低于0.000001質(zhì)量％(0.01ppm)且不高于0.0001質(zhì)量％( Ippm),硼的濃度不高于0.0001質(zhì)量％( Ippm),氫的濃度低于0.01質(zhì)量％，并且不含鎳。
[0166]如上，金剛石中氮和硼的含量?jī)?yōu)選小于氫的含量。在本實(shí)施方式中，金剛石中氮和硼的含量大約不高于氫含量的1/100。
[0167]如上，通過提高金剛石中碳同位素12C的濃度并降低不可避免的雜質(zhì)的濃度，本實(shí)施方式中單晶金剛石的硬度可以高達(dá)130GPa以上?？烧J(rèn)為該數(shù)值顯著高于一般的高純度金剛石的硬度(大約IOOGPa至120GPa)。
[0168]關(guān)于金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度，對(duì)于由高達(dá)天然豐度比的碳同位素組成的如下單晶金剛石，具有如非專利文獻(xiàn)I中所示的200°C至230°C的閾值并且出現(xiàn)壓痕，其中該單晶金剛石的合成步驟與本實(shí)施方式的制造方法類似，不同之處在于原料、籽晶、以及諸如不含Ni的基材和溶劑之類的材料不同。
[0169]相反，在本實(shí)施方式的單晶金剛石中，即使在250°C下也沒有產(chǎn)生壓痕，并且高溫硬度特性同樣優(yōu)異。應(yīng)該注意的是，這里將不低于室溫的溫度視為高溫，具體而言，即使30V左右或更高的溫度也被視為高溫。令人驚訝的是，本實(shí)施方式中單晶金剛石的上述閾值溫度不低于約400°C，并且至少到我們能進(jìn)行測(cè)量的450°C為止，幾乎觀察不到努普硬度的降低。這里，提及450°C的溫度是因?yàn)樵诘扔诨蚋哂?50°C的溫度下，壓頭(即合成的IIa單晶)無法承受，測(cè)量無法繼續(xù)進(jìn)行。也就是說，獲得以下發(fā)現(xiàn):本實(shí)施方式中的單晶金剛石在高溫硬度特性方面同樣優(yōu)于當(dāng)前的單晶金剛石。
`[0170]現(xiàn)在將參照?qǐng)D3描述本實(shí)施方式中制造單晶金剛石的方法。為了制作本實(shí)施方式中的單晶金剛石，準(zhǔn)備了碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的烴類氣體。例如，可以采用甲烷作為烴類氣體。
[0171]然后，如圖3所示，對(duì)烴類氣體進(jìn)行脫氮處理(步驟S11)。然后，將進(jìn)行了脫氮處理的烴類氣體引入真空室中，并且在真空氣氛或惰性氣體氣氛中，在大約不低于600°C且不高于1300°C的溫度下合成氣相合成金剛石，或者在不低于1200°C且不高于2300°C的溫度下使烴類氣體在不含Ni的基材上熱分解。例如，如圖3所示，可以在基材上制造固相石墨(固體碳)(步驟S12)。石墨中碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％。應(yīng)該注意的是，石墨生成過程中真空室內(nèi)的真空度最好設(shè)為(例如)約20托至100托。此外，通過在不低于1800°C的溫度下對(duì)氣相合成金剛石進(jìn)行退火，使得除碳以外的雜質(zhì)的含量可以不高于0.01質(zhì)量％。
[0172]因而，由于在設(shè)置為真空氣氛或惰性氣體氣氛的真空室中由處于氣相狀態(tài)的烴類氣體經(jīng)氣相合成而得到了金剛石，或者通過熱分解在基材上制得了固相的碳材料，因此可以如上所述極大地降低碳材料中所含的雜質(zhì)的含量。
[0173]在烴類氣體的熱分解中，優(yōu)選將烴類氣體供向基材?？梢詮幕牡纳戏较蚧墓?yīng)烴類氣體，或者可以沿傾斜方向或水平方向供向基材。
[0174]作為基材，(例如)可以采用Ta、W、Re或其碳化物。這里，選擇了不含Ni的基材。此外，也可以將通過除去基材上的碳材料(例如，形成于該基材上的石墨)而獲得的材料用作基材。在這種情況下，可以采用雜質(zhì)含量少的碳材料作為基材，并且能夠進(jìn)一步有效地抑制雜質(zhì)引入碳材料(例如，在其上形成的石墨)中。
[0175]在基材上形成諸如石墨之類的碳材料時(shí)，(例如)優(yōu)選將設(shè)置在真空室中的基材加熱到不低于1200°C的溫度。優(yōu)選將基材加熱到約1500°C至2000°C，并且更優(yōu)選加熱到約1900°C至2000°C?？梢圆捎帽娝苤募夹g(shù)作為加熱方法。例如，可以在真空室內(nèi)設(shè)置這樣的加熱器，該加熱器能夠直接或間接地將基材加熱到不低于1200°C的溫度。應(yīng)該注意的是，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)溫度或壓力等條件，以在碳材料中形成作為下述的籽晶的部分。
[0176]上述石墨等碳材料的密度優(yōu)選為不低于1.4g/cm3。因而，即使由于高溫高壓合成中的壓縮而發(fā)生了體積變化，也能抑制由于腔體的異常變形而導(dǎo)致的加熱器變形，或者抑制因此導(dǎo)致的電阻變化造成的對(duì)晶體生長(zhǎng)的妨礙或晶體生長(zhǎng)失敗。
[0177]然后，通過使用作為碳源的碳材料(如上述石墨)合成了單晶金剛石，其中在該單晶金剛石中，利用了高溫高壓合成方法(例如，不低于5GPa且不低于1300°C)使同位素富集。如圖3所示，(例如)用激光從同位素富集的高純度單晶金剛石上切割籽晶(步驟S3)。單晶金剛石為(例如)平板狀并且包含低應(yīng)變的單晶部分。單晶的尺寸優(yōu)選為大于0.5mmX0.5mm。從這種單晶金剛石上切下低應(yīng)變的籽晶。更具體而言，從單晶金剛石上切下包含(100)面的單晶部分。
[0178]這里，優(yōu)選的是，在用偏光顯微鏡確認(rèn)之后，選擇并切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的部分，并且將這部分作為籽晶使用。
[0179]在應(yīng)變相對(duì)較高的部分中，不僅碳同位素12C的濃度低，而且會(huì)發(fā)生雜質(zhì)(例如氮)的凝集等。此外，籽晶中 的應(yīng)變會(huì)反映在金剛石晶體的生長(zhǎng)過程中，并且新生長(zhǎng)的晶體也會(huì)具有應(yīng)變，因而也易于將雜質(zhì)引入到金剛石晶體中。因此，當(dāng)切割并使用應(yīng)變相對(duì)較高的部分時(shí)，金剛石晶體的不均勻性高，從而降低了金剛石的硬度。
[0180]在將上述籽晶與溶劑和碳源一起容納于腔體中的同時(shí)，如圖3所示，通過高溫高壓合成法(例如，不低于5GPa且不低于1300°C)由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石(步驟S14)。
[0181]所述溶劑可以由(例如)無碳鐵組成。例如，可以使用富集了同位素的石墨作為碳源。
[0182]在合成單晶金剛石中，將這樣的金剛石合成體系容納于腔體中，在該金剛石合成體系中，自下方起依次布置有籽晶、溶劑、以及碳源。作為腔體的材料，可以列舉(例如)不含碳和Ni但含F(xiàn)e的材料，并且可以采用杯狀腔體。在不高于10_3Pa的真空中密封該腔體的上表面。這樣可以抑制將大氣中的碳同位素13C和氮引入到腔體中，并且可以將腔體的內(nèi)部基本上設(shè)為真空狀態(tài)。因而，可以抑制大氣中包含的雜質(zhì)氣體(如CO、C02、NOx、和H2O)的引入。
[0183]在采用如上方法以前，即使使用了碳同位素12C的濃度為99.999%的碳源，甚至也有所得到的金剛石晶體中碳同位素12C的濃度降低至約99%的情況。然而，在本實(shí)施方式中，通過上面的真空密封，所得金剛石晶體中碳同位素12C的濃度能夠不低于99.9%。此外，還可將氮抑制至PPb級(jí)。
[0184]優(yōu)選用熱分解碳、石墨、類金剛石碳、或者氣相合成金剛石覆蓋用于高溫高壓合成方法中的加熱器的表面，其中在所述熱分解碳、石墨、類金剛石碳、或者氣相合成金剛石中，碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％，并且除了碳以外的雜質(zhì)不高于0.01質(zhì)量％。因而，能夠抑制將碳同位素13C從環(huán)境引入到金剛石晶體中。
[0185]例如，可將天然石墨用于加熱器。由于這種加熱器含有1.1%以上的碳，因此在實(shí)現(xiàn)碳同位素12C的更高濃度時(shí)，加熱器中的碳被引入到金剛石中則會(huì)成為嚴(yán)重的問題。
[0186]由此，考慮采用以下三種技術(shù)。首先，第一種技術(shù)是這樣一種技術(shù):通過預(yù)先加熱加熱器的表面并將富集了碳同位素12C的甲烷氣體吹至其上，以在加熱器表面上形成石墨層。
[0187]第二種技術(shù)是這樣一種方法:利用石墨作為濺射靶，通過濺射法來覆蓋加熱器的表面，其中該石墨是由得自甲烷氣體的碳同位素12C合成的，其中該甲烷氣體中富集了碳同位素12C。
[0188]第三種技術(shù)類似于在用SEM (掃描電子顯微鏡)等觀察的過程中用石墨覆蓋樣品的方法。即，通過采用如下石墨作為電極并引起電極之間放電，從而用其中富集了碳同位素12C的石墨覆蓋加熱器的方法，其中上述石墨是由得自甲烷氣體的碳同位素12C合成的，其中該甲烷氣體中富集了碳同位素12C。
[0189]然而，并不限于以上三種方法，在以下任何情況中都能得到效果，這些情況為:通過任何方法用石墨覆蓋加 熱器的情況；用富集了同位素的石墨制造整個(gè)加熱器的情況；以及用類金剛石碳或金剛石等固態(tài)碳來制造加熱器的情況。
[0190]應(yīng)該注意的是，本實(shí)施方式中的單晶金剛石應(yīng)當(dāng)(例如)在5GPa以上且不低于1350°C的溫度下僅由籽晶生長(zhǎng)得到。
[0191]除了具有高硬度外，這樣獲得的金剛石還具有以下特征。即，由于晶體中排除了電子自旋來源N或核自旋來源13C,因引入痕量氮(局部濃度為O至IOOppb)導(dǎo)致的金剛石的脈沖回波電子自旋共振線的半寬小于等于0.035Gauss。在常規(guī)單晶中從不可能獲得這樣的結(jié)果。
[0192]這只能通過以下因素來實(shí)現(xiàn)。也就是說，本實(shí)施方式中的單晶金剛石具有不高于10/cm2的缺陷密度，并且經(jīng)拉曼光譜確認(rèn)的面內(nèi)應(yīng)力分布在±1%以內(nèi)。另外，可以從通過X射線形貌學(xué)拍攝的圖像中提取不存在陰影部分(陰影部分表示有缺陷部位)的部分，并且發(fā)現(xiàn)能夠提供應(yīng)變非常低且高度結(jié)晶的晶體。另外，其硬度比由天然碳制得的那些金剛石的硬度高約10%，并且未觀察到如高溫下在常見IIa單晶中所見的因在(001)〈110〉方向上的塑性變形而導(dǎo)致的強(qiáng)度劣化。
[0193]現(xiàn)在將描述關(guān)于本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的單晶金剛石及其制造方法的例子。
[0194](實(shí)施例13)
[0195]使其中碳同位素12C的濃度為99.9%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。在真空室中，將所述已除去氮的甲烷氣體吹到加熱至1900°C的高溫且不含Ni的Ta基底上。這樣，該甲烷氣體在Ta基底上分解，從而在Ta基底上形成尺寸為IOmmX IOmm的石墨,其中該石墨中的碳同位素12C的濃度不低于99.9%。這里,真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。使用這種石墨作為碳源，通過高溫高壓合成方法來合成高純度金剛石。
[0196]用偏光顯微鏡觀察富集了同位素的高純度金剛石，切割出具有極低應(yīng)變的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。[0197]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.9%的石墨覆蓋。
[0198]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0199]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到不含Ni的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.9質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有140GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0200]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。此外，其硬度最高為約60GPa至70GPa。相比之下，在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高于250°C，在某些單晶中，即使溫度超過450°C時(shí)也幾乎觀察不到硬度下降，并且直到600°C (在大氣中，金剛石在600°C下會(huì)燃燒)為止也未發(fā)生塑性變形。獲得了這樣的發(fā)現(xiàn)，即高溫下的硬度特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0201](實(shí)施例14)
[0202]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷 氣體中除去。在真空室中，將所述已除去氮的甲烷氣體吹到加熱至1900°C的高溫且不含Ni的Ta基底上。這樣，該甲烷氣體在Ta基底上分解，從而在Ta基底上形成尺寸為IOOmmX IOOmm的石墨,其中該石墨中的碳同位素12C的濃度不低于99.99%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。使用這種石墨作為碳源，通過高溫高壓合成方法來合成高純度金剛石。
[0203]用偏光顯微鏡觀察富集了同位素的高純度金剛石，從該單晶上切割出具有極低應(yīng)變的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0204]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.99%的石墨覆蓋。
[0205]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0206]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到不含Ni的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有145GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0207]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高于300°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0208](實(shí)施例15)
[0209]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。在真空室中，將所述已除去氮的甲烷氣體吹到加熱至1900°C的高溫且不含Ni的Ta基底上。這樣，該甲烷氣體在Ta基底上分解，從而在Ta基底上形成尺寸為IOOmmX IOOmm的石墨,其中該石墨中的碳同位素12C的濃度不低于99.999%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。使用這種石墨作為碳源，通過高溫高壓合成方法來合成高純度金剛石。
[0210]用偏光顯微鏡觀察富集了同位素的高純度單晶金剛石，從該單晶上切割出具有極低應(yīng)變的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0211]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的石墨覆蓋。
[0212]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0213]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到不含Ni的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有143GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
`[0214]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高于300°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0215](實(shí)施例16)
[0216]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。在真空室中，將所述已除去氮的甲烷氣體吹到加熱至1900°C的高溫且不含Ni的Ta基底上。這樣，該甲烷氣體在Ta基底上分解，從而在Ta基底上形成尺寸為IOOmmX IOOmm的石墨,其中該石墨中的碳同位素12C的濃度不低于99.999%。使用這種石墨作為碳源，通過高溫高壓合成方法來合成高純度金剛石。
[0217]用偏光顯微鏡觀察同位素被富集至99%以上的單晶金剛石，從該單晶金剛石(其中同位素被富集至99%以上)上切割出具有極低應(yīng)變的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0218]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的石墨覆蓋。
[0219]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0220]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到不含Ni的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.999質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有145GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0221]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，關(guān)于該閾值溫度，直至超過400°C的硬度仍約為160GPa，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0222]如上所得各實(shí)施例中的金剛石具有以下特征。即，由于晶體中電子自旋來源N或核自旋來源13C的排除，因引入痕量氮(局部濃度為O至IOOppb)導(dǎo)致的金剛石的ESR中金剛石Pl中心的線寬小于等于0.020Gauss是非常有特征的，即使與非專利文獻(xiàn)I相比，在常規(guī)的同位素富集的單晶中也從不能獲得這樣的結(jié)果。在5平方毫米的測(cè)量范圍內(nèi)缺陷密度為Ο/cm2。此外，在通過X射線形貌學(xué)進(jìn)行的分析中沒有觀察到應(yīng)變。在拉曼光譜的分析中，面內(nèi)拉曼位移的分布在±0.1cnT1以內(nèi)，并且因此可以確認(rèn)沒有應(yīng)變的分布。
[0223](實(shí)施例17) [0224]使其中碳同位素12C的濃度為99.9%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.9%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0225]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0226]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.9%的石墨覆蓋。
[0227]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的石墨作為碳源。
[0228]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.9質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有140GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0229]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。此外，其硬度最高為約60GPa至70GPa。相比之下，在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高于250°C，在某些單晶中，即使溫度超過450°C時(shí)也觀察不到硬度下降，并且從金剛石在大氣中的燃燒溫度起到600°C (測(cè)量極限)為止沒有觀察到塑性變形。因而，獲得以下發(fā)現(xiàn):在高溫下的硬度特性也由于常規(guī)金剛石。
[0230](實(shí)施例18)
[0231]使其中碳同位素12C的濃度為99.99%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C )上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.99%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0232]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0233]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.99%的石墨覆蓋。
[0234]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0235]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有142GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0236]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高達(dá)300°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0237](實(shí)施例19)
[0238]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.999%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0239]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0240]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的石墨覆蓋。
[0241 ] 然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0242]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有143GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0243]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高達(dá)300°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。 [0244](實(shí)施例20)
[0245]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.995%。據(jù)認(rèn)為，富集度略微降低的原因是腔體中引入了空氣。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0246]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0247]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的石墨覆蓋。
[0248]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0249]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.999質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0OOl質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有145GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0250]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，關(guān)于該閾值溫度，直至超過400°C的硬度仍為160GPa等，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0251](實(shí)施例21)
[0252]使其中碳同位素12C的濃度為99.9%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C )上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.9%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0253]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0254]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備富集了同位素的石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.9%的類金剛石碳覆蓋。
[0255]然后，將以下金剛`石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及富集了同位素的石墨作為碳源。
[0256]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，其中碳同位素12C的濃度為99.9質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有140GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，該常規(guī)單晶金剛石是以類似步驟合成的，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0257]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。此外，其硬度最高為約60GPa至70GPa。相比之下，在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高于250°C，在某些單晶中，即使溫度超過450°C時(shí)也幾乎觀察不到硬度下降，并且直到600°C (在大氣中，金剛石在600°C下會(huì)燃燒)為止也未發(fā)生塑性變形。獲得了這樣的發(fā)現(xiàn)，即高溫下的硬度特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0258](實(shí)施例22)
[0259]使其中碳同位素12C的濃度為99.99%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C )上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.99%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0260]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0261]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備其中富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.99%的類金剛石碳覆蓋。
[0262]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及其中富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0263]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有142GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0264]另外，基于單 晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高達(dá)300°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0265](實(shí)施例23)
[0266]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.999%。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0267]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0268]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備其中富集了同位素的高純度石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的類金剛石碳覆蓋。
[0269]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及其中富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0270]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.99質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0OOl質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有143GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0271]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，獲得了以下發(fā)現(xiàn):在本實(shí)施例的單晶金剛石中，該閾值溫度也高達(dá)300°C，并且高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0272](實(shí)施例24)
[0273]使其中碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體通過加熱至600°C以上的海綿鈦，從而將氮從甲烷氣體中除去。將已除去氮的甲烷氣體引入真空室中，其中該真空室中混有1%至3%的氫。燈絲的溫度固定為2000°C，并在金剛石基底(基底溫度為800°C至900°C)上合成單晶。這樣便形成了用作碳源的尺寸為IOmmX IOmm的金剛石單晶，其中碳同位素12C的濃度不低于99.995%。據(jù)認(rèn)為，富集度略微降低的原因是腔體中引入了空氣。這里，真空室內(nèi)的壓力大約設(shè)定為IO2Pa至104Pa。由于通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道已將氫引入該金剛石中，因此在1800°C至2000°C下對(duì)用作碳源的金剛石進(jìn)行熱處理，并將所得固體用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0274]使用以上碳源通過一次高溫高壓合成來合成金剛石單晶，用偏光顯微鏡觀察該同位素富集表面的高純度金剛石，切割具有極低應(yīng)變的(100)面中的尺寸不小于
0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用這部分作為籽晶。
[0275]另一方面，準(zhǔn)備了不含Ni的高純度Fe-Co-Ti合金作為金剛石合成用溶劑。此外，準(zhǔn)備其中富集了同位素的石墨作為碳源。為了防止從環(huán)境中引入碳同位素13C,加熱器的表面被碳同位素12C的濃度不低于99.999%的類金剛石碳覆蓋。
[0276]然后，將以下金剛石合成體系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯狀腔體中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在該金剛石合成體系中，由下方依次布置有籽晶、溶劑、以及其中富集了同位素的高純度石墨作為碳源。
[0277]然后，在1300°C的高溫和5.5GPa的高壓下由籽晶生長(zhǎng)得到單晶金剛石。因此，可得到這樣的單晶金剛石，在該單晶金剛石中，碳同位素12C的濃度為99.999質(zhì)量％、氮濃度不高于0.0001質(zhì)量％、氫濃度低于0.01%、并且硼濃度不高于0.0001%。該單晶金剛石具有150GPa的硬度，經(jīng)發(fā)現(xiàn)高于常規(guī)單晶金剛石的90GPa至120GPa的硬度，該常規(guī)單晶金剛石為高純度晶體，并且由高達(dá)天然豐度比的碳同位素構(gòu)成。
[0278]另外，基于單晶金剛石的(001)面內(nèi)〈110〉方向上的努普硬度的測(cè)量，常規(guī)金剛石晶體的閾值為200°C至230°C的范圍并且出現(xiàn)壓痕。相比之下，在本實(shí)施例的單晶金剛石中，關(guān)于該閾值溫度，直至超過400°C仍未發(fā)生塑性變形。因此，獲得了以下發(fā)現(xiàn):高溫特性也優(yōu)于常規(guī)金剛石。
[0279]通過CVD方法，使用碳同位素12C的濃度為99.999%的甲烷氣體來合成單晶金剛石。采用這種單晶金剛石作為源材料，并使用含0.001%的Ni的溶劑，從而通過高溫高壓方法來生長(zhǎng)單晶金剛石。雖然基本上沒有向所得單晶金剛石中引入諸如氮和硼之類的雜質(zhì)，但Ni的含量為約0.0001質(zhì)量％以上。在本比較例中的單晶金剛石的硬度為約120GPa，且在高溫下，該單晶金剛石在180°C下塑性變形。因而，我們發(fā)現(xiàn)本實(shí)施例中不含Ni的單晶金剛石直至高溫也不容易塑性變形。[0280]雖然上面描述了本發(fā)明的實(shí)施方式和實(shí)施例，但是硬度的改善和硬度的溫度依賴性的改善歸因于充當(dāng)塑性變化起始點(diǎn)的雜質(zhì)的減少。此外，即使像這樣高的硬度使得Pi中心的ESR線寬極小，但據(jù)估計(jì)是因?yàn)殡s質(zhì)和應(yīng)變的降低。
[0281]上述實(shí)施方式和實(shí)施例還可以進(jìn)行各種更改。另外，本發(fā)明的范圍不限于上述實(shí)施方式和實(shí)施例。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求的條款限定，并且旨在包括與權(quán)利要求的條款等同的范圍和含義內(nèi)的任何修改。`
【權(quán)利要求】
1.一種單晶金剛石,包含: 碳，其中碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％ ;以及 除了所述碳以外的多種不可避免的雜質(zhì)， 所述不可避免的雜質(zhì)包括氮、硼、氫和鎳，并且 所述多種不可避免的雜質(zhì)中的氮、硼和氫的總含量不高于0.01質(zhì)量％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶金剛石，其中 所述氮和所述硼的含量小于所述氫的含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單晶金剛石，其中 所述不可避免的雜質(zhì)包括不高于0.0001質(zhì)量％的所述氮、不高于0.0001質(zhì)量％的所述硼、低于0.01質(zhì)量％的所述氫、以及不高于0.00001質(zhì)量％的所述鎳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的單晶金剛石，具有不低于130GPa的努普硬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的單晶金剛石，其中 在單晶的(001)面內(nèi)的〈110〉方向上發(fā)生努普硬度降低的閾值超過240°C。
6.一種制造單晶金剛石的方法，包括以下步驟:通過使用碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的經(jīng)過脫氮處理的烴類氣體，在真空室內(nèi)、在大于等于600°C小于等于2300°C的溫度下，制備沉積的氣相合成金剛石、或者通過在不低于1800°C的溫度下對(duì)所述氣相合成金剛石進(jìn)行退火而制得的除碳以外的雜質(zhì)量不高于0.01質(zhì)量％的碳材料、或者通過在基材上將所述烴類氣體熱分解而獲得的碳材料；從通過使用所述碳材料作為碳源并由高溫高壓合成方法合成的金剛石上切割出籽晶；以及 在將所述籽晶與溶劑和所述碳材料一同容納在腔體中的同時(shí)，通過高溫高壓合成方法由所述籽晶生長(zhǎng)出單晶金剛石。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造單晶金剛石的方法，其中 所述腔體由無碳鐵形成，并且 在將所述籽晶、所述溶劑、以及所述碳材料容納于所述腔體中之后，通過在不高于IO-3Pa的真空中將所述腔體密封，從而防止將大氣中的碳同位素13C和氮引入所述腔體中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制造單晶金剛石的方法，其中 用于所述高溫高壓合成方法中的加熱器的表面被熱分解碳、石墨、類金剛石碳、或氣相合成金剛石覆蓋，其中在所述熱分解碳、石墨、類金剛石碳、或氣相合成金剛石中，碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％并且除碳以外的雜質(zhì)不高于0.01質(zhì)量％。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任意一項(xiàng)所述的制造單晶金剛石的方法，其中 將以下合金材料用作所述溶劑:在該合金材料中，晶體粒徑大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti顆粒已經(jīng)析出在Fe-Co合金中。
10.一種單晶金剛石，包含: 碳，其中碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％ ;以及 除了所述碳以外的多種不可避免的雜質(zhì)， 所述不可避免的雜質(zhì)包括氮、硼和氫，但不包括鎳，并且 所述多種不可避免的雜質(zhì)中的氮、硼和氫的總含量不高于0.01質(zhì)量％。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的單晶金剛石，其中 所述氮和所述硼的含量小于所述氫的含量。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的單晶金剛石，其中 所述不可避免的雜質(zhì)包括不高于0.0001質(zhì)量％的所述氮、不高于0.0001質(zhì)量％的所述硼、以及低于0.01質(zhì)量％的所述氫。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任意一項(xiàng)所述的單晶金剛石，具有不低于140GPa的努普硬度。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任意一項(xiàng)所述的單晶金剛石，其中 在單晶的(001)面內(nèi)的〈110〉方向上發(fā)生努普硬度降低的閾值等于或高于400°C。
15.一種制造單晶金剛石的方法，包括以下步驟: 通過使用碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％的經(jīng)過脫氮處理的烴類氣體，在真空氣氛或惰性氣體氣氛中、在大于等于600°C小于等于2300°C的溫度下，制備沉積的氣相合成金剛石、或通過在不含鎳的基材上將所述烴類氣體熱分解而獲得的碳材料； 從通過使用所述碳材料作為碳源并由高溫高壓合成方法合成的金剛石上切割出籽晶；以及 在將所述籽晶與不含鎳的溶劑和所述碳材料一同容納在腔體中的同時(shí)，通過高溫高壓合成方法由所述籽晶生長(zhǎng)出單晶金剛石。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造單晶金剛石的方法，其中 所述腔體由不含碳和鎳的鐵形成，`并且 在將所述籽晶、所述溶劑、以及所述碳材料容納于所述腔體中之后，通過在不高于IO-3Pa的真空中將所述腔體密封，從而防止將大氣中的碳同位素13C和氮引入所述腔體中。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的制造單晶金剛石的方法，其中 用于所述高溫高壓合成方法中的加熱器的表面被熱分解碳、石墨、類金剛石碳、或氣相合成金剛石覆蓋，其中在所述熱分解碳、石墨、類金剛石碳、或氣相合成金剛石中，碳同位素12C的濃度不低于99.9質(zhì)量％并且除碳以外的雜質(zhì)不高于0.01質(zhì)量％。
【文檔編號(hào)】C01B31/06GK103764882SQ201280042553
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月2日
【發(fā)明者】池田和寬, 角谷均 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社