组合合成金刚石晶胞和金刚石块制造技术

本发明专利技术公开了由类四面体烷化合物和碳原子通过组合合成生产的金刚石晶胞，和由其生产的金刚石块。所生产的金刚石块在光谱学上不具有石墨杂质，并且不具有可观察的缺陷。

Combined synthetic diamond cell and diamond

The present invention relates to a diamond unit produced by a combination of a class of tetrahedron like compounds and carbon atoms. The produced diamond stone does not have graphite impurities in spectroscopy and has no observable defects.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及金刚石晶胞的组合合成和由其生产的人造金刚石块(diamondmass)。
技术介绍
由于金刚石的硬度(莫氏硬度等级为10)、热稳定性、高的室温热导率(约2000W/mK)、非常低的室温rms变化(0.002nm)、高折射率(2.4)、从红外线至可见光的光学透明性和紫外荧光的性质，因而其是有价值的材料。由于其高带隙(5.45eV)，其是极佳的电绝缘体(1016欧姆)。已经发现硼掺杂(蓝色)的金刚石是p型半导体，具有高空穴迁移率和电击穿强度。此类性质可以为金刚石赋予微电子器件用衬底、紫外线保护涂层、高能激光器件窗口以及甚至金刚石半导体器件方面的用途。此类应用需要金刚石是超纯的。已知有金刚石的许多合成方法。这些方法从元素碳或者从由化合物获得的元素碳或者碳的一种或多种化合物生产金刚石，所述方法使元素碳经受会使碳形成晶体物质(称为金刚石)的条件。通常而言，这些方法涉及高压、高温或高能放电。此外，为了纯化经常需要后处理。但是大多数这些方法不会产生超纯金刚石。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供金刚石晶胞。本专利技术的另一目的在于提供由类四面体烷化合物(tetrahedranoidalcompound)和碳原子的组合合成生产的金刚石晶胞。此外，本专利技术的又一目的在于提供由金刚石晶胞制造的金刚石块。具体实施方式本专利技术提供金刚石晶胞和由其制造的金刚石块。术语定义组合合成：如本文使用，是指类四面体烷化合物与碳原子反应而生产金刚石晶胞，在本说明书中，词语“类四面体烷的(tetrahedranoidal)”与“类四面体烷(tetrahedranoid)”相互替换地使用。无金刚石晶种：如本文使用，是指未使用金刚石或其它矿物的晶种来生产金刚石晶胞或金刚石块。对产品金刚石块未提供金刚石晶种或其它矿物晶种。均匀形态：如本文使用，是指产品金刚石块在结构和外观上至少是邻接的非颗粒固体。无由于形成所导致的着色：是指本专利技术金刚石块不发生仅仅由于通过组合合成的形成(formation)而导致的变色。常规的合成金刚石通常展现黄色或黄褐色的变色，这是由于在大气存在下在常规金刚石形成工序中使用的极高压/高温(HP/HT)条件下引起的在金刚石晶体中夹杂氮氧化物导致。本专利技术金刚石块不受该缺点影响，因为避免了HP/HT条件以及大气。无氮吸气剂(getter)：是指在生长期间对本专利技术的金刚石块不添加化合物或金属从而防止形成氮氧化物夹杂物。在大气下使用HP/HT条件的常规合成金刚石形成反应中，必须添加氮吸气剂以吸收空气中的氮或者与空气中的氮反应，从而防止氮和氧反应形成氮氧化物。传统上，已经使用铝或钛来从生长中的金刚石晶体除去氮。与之相对，本专利技术的金刚石块不具有氮。因此，在通过金刚石晶胞的组合合成生产的金刚石块中不存在颜色分带。无颜色分带：是指与天然的常规合成金刚石相比，本专利技术的金刚石块不含有因杂质导致的差异性颜色区域。“金刚石的组合合成(CombinatorialSynthesisofDiamond)”(Hodes,2011年8月5日提交的美国专利申请第13/204,218号，其要求2010年8月11日提交的61/344,510的优先权，此处通过援引将其并入)涉及金刚石的气相合成，其中从烃源获得不具有亚稳态自由基杂质(甲基自由基-CH3·，二价自由基亚甲基-CH2：，三价自由基次甲基-·CH：)的碳原子(C)。使如此获得的碳原子与通过乙炔的催化处理生产的物质反应。这两种反应物的组合反应产生金刚石，其从气相沉积。虽然不受理论限制，据认为通过催化处理衍生的物质是四面体烷，虽然是短暂且为低浓度的。本领域技术人员会从本说明书理解，该反应的产物是金刚石晶胞。金刚石晶胞的3D结构的2D表示如下所示。本公开内容涉及通过组合合成生产的金刚石晶胞。通过本公开内容和申请人之前的公开内容公开的金刚石晶胞的合成而形成金刚石，其通过与金刚石合成的典型方法完全不同的方法进行。金刚石晶胞的合成依赖于对具有与金刚石晶胞相似结构的分子的化学修饰。即，它们结构上是四面体或近四面体的，并且具有能够利用来改变其结构以生产金刚石晶胞的化学反应性。已知有稳定的可分离的四面体烷。其稳定性是四个碳原子上的四个大体积取代基包裹分子的人为现象。但是，正是该非常大的空间体积使得其不适合用作金刚石晶胞形成反应中的反应物。本公开内容的金刚石晶胞形成反应通过不具有亚稳态自由基杂质的碳原子(其源自烃源)和其结构与四面体烷紧密相关(类四面体烷结构)的第二化学物质的反应而进行。事实上，出于本专利技术的目的，四面体烷本身被认为是类四面体烷结构。但是这些类四面体烷化合物通常被理解为具有被“插入”物质取代的3,4C-C键的四面体烷。以下示出用于本专利技术的金刚石晶胞形成反应中的3种已知类四面体烷化合物的实例(简单起见非IUPAC命名)。化合物I——盆苯(benzvalene)(C6H6)，bp＝77.558℃(760mmHg)，蒸气压106.123mmHg(在25℃)。“插入”的物质是-CH＝CH-(乙烯)。化合物II——2,3,4-次甲基环丁酮(“四面体酮(Tetrahedranone)”，“羰基四面体烷”)(C6H4O)，bp＝-37℃(部分分解)。插入的物质是CO(羰基，一氧化碳)。化合物III——3,4,5-次甲基二氢-l,2-吡唑(3,4-二氮杂盆烯(Diazabenvalene)(C4H4N2)；在约-60℃分解。插入物质是-N＝N-(二氮)，即叠氮基。以上详述的三种类四面体烷化合物具有足够的热动力学稳定性以用作在下文详述的金刚石晶胞形成反应中的反应物，条件是针对其各自特点使用合适的操作管理。但是，不应该认为这些化合物整体上是热动力学稳定的。事实上，本说明书的金刚石晶胞合成利用的正是这些化合物的极不稳定性。二氮杂盆烯和2,3,4-次甲基环丁酮(“四面体酮”)都通过消去离去基团(分别是N2和CO)而分解成C4H4过渡物质，其可作为指示开始形成环丁二烯的二聚物C8H8而在光谱学上被看到。在金刚石晶胞形成反应的环境下非常不希望存在二环丁二烯，因为其也是高度反应性的并且会产生缩合产物，这会不可避免地在形成时污染金刚石块。因此，在金刚石晶胞合成中使用这些化合物需要严格的操作技术。与之相对，盆烯(C6H6)自身不分解，而是在本文公开的金刚石晶胞合成条件下重排成苯(C6H6)。虽然在本公开的金刚石晶胞合成中，盆烯与二氮杂盆烯或“四面体酮”相比具有更有利的性质，本领域技术人员应该认识到对严格操作管理的放松会导致杂质，这是极不希望的，并且在形成时必须防止其与金刚石块接触。化合物I和II在氧的存在下是相当稳定的，并且这些化合物在环境温度具有良好的稳定性。化合物III在约-60℃分解并且在氧的存在下是不稳定的。如果化合物I和II接触尖锐表面，则它们快速甚至猛烈地分解。化合物I和II对于快速加热敏感，加热速率必须不超过5℃/分钟。化合物I、I和III在诸如氦或氩等惰性气氛下存储和使用，这些气体应该具有研究级纯度和不超过10ppm的杂质，所述杂质能够通过gc/ms鉴定。在缺氧环境下操作反应物消除了O2诱导自由基的形成，后者会导致反应物中的杂质，而这不利地影响使用其的金刚石晶胞形成反应的产物。因此，使金刚石晶胞形成反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石晶胞。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.28 US 14/120,5081.一种金刚石晶胞。2.如权利要求1所述的金刚石晶胞，其以类四面体烷化合物和碳原子之间的组合反应生产。3.一种金刚石块，其包含金刚石晶胞。4.如权利要求3所述的金刚石块，其具有不可检测的杂质，其中所述不可检测的杂质选自由非晶碳、碳的非金刚石同素异形体、类烃、杂原子和带杂原子的材料组成的组。5.如权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·霍兹，A·L·纽曼，
申请(专利权)人：晶胞金刚石有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US