多晶金刚石及其制法、划线工具、划线轮、修整器、旋转工具、水射流喷嘴、拉丝模具、切削工具、以及电子发射源制造技术

纳米多晶金刚石(1)包含碳、以原子水平遍及分散在碳中的方式添加的非碳外来元素(3)、以及不可避免的杂质。所述多晶金刚石的晶粒尺寸为500nm以下，并且可以通过在高压压制装置中对石墨进行热处理来制造，其中所述石墨中添加了非碳外来元素从而以原子水平遍及分散在碳中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】纳米多晶金刚石(1)包含碳、以原子水平遍及分散在碳中的方式添加的非碳外来元素(3)、以及不可避免的杂质。所述多晶金刚石的晶粒尺寸为500nm以下，并且可以通过在高压压制装置中对石墨进行热处理来制造，其中所述石墨中添加了非碳外来元素从而以原子水平遍及分散在碳中。【专利说明】多晶金刚石及其制法、划线工具、划线轮、修整器、旋转工 具、水射流喷嘴、拉丝模具、切削工具、以及电子发射源
本专利技术涉及多晶金刚石及其制造方法、划线工具、划线轮、修整器、旋转工具、水射流喷嘴、拉丝模具、切削工具、以及电子发射源，特别涉及具有纳米尺寸的晶粒且其中均匀添加了除了碳以外的元素的金刚石(以下称为“添加了不同种类的元素的纳米多晶金刚石”)、添加了 III族元素的纳米多晶金刚石、添加了 V族元素的纳米多晶金刚石、它们的制造方法、以及包含该多晶金刚石的各种工具和电子发射源。
技术介绍
近来已经阐明了纳米多晶金刚石烧结体具有超过天然单晶金刚石的硬度并且具有作为工具的优异性质。虽然纳米多晶金刚石本质上是绝缘体，但是通过添加其他元素(例如适当的掺杂物)，可以为金刚石提供诸如导电性等进一步的功能。而且，通过适当选择添加到金刚石中的元素，可以改变金刚石的各种性质，例如光学特性、电学特性、以及机械特性。例如，如E.A.Ekimov 等,Nature,第 428 卷(2004 年)，第 542 至 545 页中所示，通过形成其固溶体以向石墨中添加掺杂物的方法可以作为向金刚石中添加能够提供导电性的掺杂物的方法。虽然如上所述纳米多晶金刚石本质上是绝缘体，但是通过向金刚石中添加充当受体的元素能够为金刚石提供导电性。上述文献描述了添加了硼的金刚石的合成方法。此外，通过向金刚石中添加充当供体的元素能够为金刚石提供导电性。例如，日本专利公开N0.2010-222165描述了一种包含能提供导电性的元素的金刚石层。虽然特别是n型金刚石能够发射出电子，但是却不可能通过高温和高压合成获得掺杂有高浓度供体的n型金刚石。为了解决该问题，有人报`道了通过气相合成(CVD)进行磷掺杂的例子。然而，通过这个方法，实现高浓度掺杂或引入磷以外的掺杂物是非常困难的。引用列表专利文献专利文献1:日本专利公开N0.2010-222165非专利文献非专利文献 I:E.A.Ekimov 等,Nature,第 428 卷(2004 年)，第 542 页至 545 页
技术实现思路
技术问题然而如上所述，通过形成其固溶体而向石墨中添加掺杂物的方法，难以将掺杂物以原子水平分散在石墨中。因此，掺杂物将不均匀地分布在石墨中。当将其中掺杂物如此不均匀分布的石墨直接转化为金刚石时，在掺杂物浓度高的部分中金刚石的晶粒将会局部变大。从而，金刚石的晶粒尺寸将会大约从数十nm到数百变化。因此，难以获得晶粒的纳米尺寸都相同的经掺杂的纳米多晶金刚石。另外，当将其中形成了含掺杂物的固溶体的石墨直接转化为金刚石时，也会产生掺杂物簇。在形成含掺杂物的石墨固溶体时，通常采用单个元素充当掺杂物，或者采用元素的氧化物、氢化物、或卤化物这样的化合物充当掺杂物。然而，当采用这样的物质时，掺杂物的氢化物、氧化物等也将会残留或生成化合物。由于其催化作用，所得金刚石的晶粒可能局部变得异常大。下一种可能的方法是这样一种方法:将石墨粉末和掺杂物粉末尽可能细地粉碎，进行严格的筛选，然后混合这些粉末，对这些粉末进一步进行加热反应处理，并采用所得粉末作为原材料。然而，通过这种方法难以在原子水平上混合石墨与掺杂物，并且大部分掺杂物原子会形成至少两个或更多个原子聚集的簇。因此，石墨中容易出现掺杂物的浓度分布，并且由石墨制得的金刚石的晶粒也趋向于局部地快速生长。因此，在该技术的情况下，也难以获得具有相同纳米尺寸的晶粒的经掺杂的纳米多晶金刚石烧结体。 在将除了掺杂物以外的元素添加到金刚石中的情况下，同样也会发生上述问题。通过上述非专利文献I中描述的方法，使石墨与B4C彼此反应以形成石墨与硼的固溶体。然而，在该方法的情况下，也难以将硼以原子水平分散在石墨中。因此，当将其中形成了含硼的固溶体的石墨直接转化为金刚石时，将再次产生掺杂物簇等。另外，在形成含硼的石墨固溶体时，会产生硼的氢化物、氧化物等。由于其催化作用，所得金刚石的晶粒尺寸可能会局部变得异常大。因此，难以制造具有相同晶粒尺寸的硼添加的纳米多晶金刚石。然后，下一种可能的方法可列举以下方法:如上述情况，将石墨粉末和诸如硼的受体元素的粉末尽可能细地粉碎，进行严格的筛选，然后混合这些粉末或者对这些粉末进一步进行加热反应处理，并采用所得粉末作为原材料。然而，通过这种方法还是难以单独将受体原子与石墨粉末混合，并且大部分受体原子会形成其中至少两个或更多个原子彼此邻近的簇。因此，金刚石中容易出现受体元素的浓度分布。从而，金刚石的晶粒趋向于局部地快速生长，并难以获得具有均匀纳米尺寸的晶粒的纳米多晶金刚石。另一方面，通过向金刚石中添加充当供体的元素能够为金刚石提供n型导电性。具有n型导电性的金刚石具有如上所述的电子发射特性。利用这些特性，能够将具有n型导电性的金刚石用于(例如)电子枪中。作为制造具有导电性的金刚石的技术，人们已经知道单晶合成或气相合成。然而，不论采用单晶合成和气相合成中的任何一个技术，都非常难以制造其中均匀添加了供体元素并且具有n型导电性的纳米多晶金刚石。例如，利用将石墨直接转换为金刚石的技术，已经认为可以用供体对金刚石进行掺杂，因为供体原子可被限制在金刚石中。然而实际上，形成作为原材料的石墨与供体原子的均匀的固溶体仍然极其困难。用最简单的方式向金刚石中添加供体原子的方法可以列举这样的方法:将石墨粉末和供体元素粉末尽可能细地粉碎，进行严格的筛选，然后混合这些粉末或者对这些粉末进一步进行加热反应处理，并采用所得粉末作为原材料。然而，用这种方法难以单独将供体原子与石墨粉末混合，并且大部分供体原子会形成其中至少两个或更多个原子彼此邻近的簇。因此，金刚石中容易出现供体元素的浓度分布。从而，金刚石的晶粒趋向于局部地快速生长，并难以获得具有均匀纳米尺寸的晶粒的纳米多晶金刚石。本专利技术是鉴于上述问题而做出的，并且本专利技术的一个目的是提供通过向金刚石中均匀地添加除了碳以外的元素而获得的纳米多晶金刚石、及其制造方法。本专利技术的另一目的是提供通过以前所未有的水平向金刚石中均匀地添加受体元素而获得的纳米多晶金刚石及其制造方法、包含该多晶金刚石的划线工具、划线轮、修整器、旋转工具、水射流喷嘴、拉丝模具和切削工具。本专利技术的又一目的是提供通过向金刚石中均匀地添加供体元素而获得的纳米多晶金刚石及其制造方法、以及由该多晶金刚石制成的电子发射源。问题的解决方案根据本专利技术的多晶金刚石由碳、不同种类的元素、以及不可避免的杂质组成，其中所述不同种类的元素是除了碳以外的元素并且该元素是以原子水平分散在碳中的方式添加的。该多晶金刚石的晶粒尺寸大约不大于500nm。所述不同种类的元素优选作为替代的孤立原子分散在碳中。该不同种类的元素的浓度为(例如)大约不低于I X IO1Vcm3且不高于I X 1022/cm3。所述多晶金刚石可通过烧结石墨来制造，该石墨是通过在不低于1500°C的温度下对包含所述不同种类的元素的气体和烃类气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多晶金刚石，包含：碳；不同种类的元素，该元素是除了所述碳以外的元素，并且该元素是以原子水平分散在所述碳中的方式添加的；以及不可避免的杂质，所述多晶金刚石的晶粒尺寸不大于500nm。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：池田和宽，有元桂子，山本佳津子，角谷均，佐藤武，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP