Наша сеть партнеров Banwar
Пропонується спосіб вирощування алмазу з графіту в камері високого тиску, впливаючи імпульсно-періодичним лазерним випромінюванням на кордон алмаз-графіт через одну з прозорих для лазерного випромінювання стінок камери. У камері типу алмазної ковадла підтримується тиск від 
5 до 50 ГПа, залежно від можливостей камери, а імпульс лазерного випромінювання нагріває дуже вузький скін-шар графіту до температур 1000 К, достатніх для перетворення графіту в алмаз. Внаслідок великих градієнтів температури в скін-шарі і високій теплопровідності алмаза відбувається аномально швидке охолодження шару і перетворення його в прозорий для лазерного випромінювання алмаз. Довжина хвилі лазерного випромінювання повинна потрапляти в область прозорості алмаза від 0,2 до 5 мкм. Наступний лазерний імпульс повинен нагрівати наступний шар графіту і перетворювати його в алмаз, тобто лазерне випромінювання стимулює проростання прозорого алмазу в непрозорий графіт. 1 мул.
Винахід відноситься до способу виробництва штучних алмазів.
Добре відомо, що алмаз має унікальні фізичними і хімічними властивостями. Він є самим твердим і найменш стисливим речовиною, має надзвичайно високу хімічну стійкість до кислот, володіє рекордним значенням поля електричного пробою і теплопровідністю, в кілька разів перевищує теплопровідність міді при кімнатній температурі. Ці властивості обумовлюють широке застосування алмазу в таких галузях промисловості, як електроніка, машинобудування, виробництво бурових інструментів і абразивів, каменеобробка, медицина, ювелірна справа тощо В даний час існує декілька способів синтезу алмазів. Найбільш поширеним способом є кристалізація алмазу з розчину вуглецю в розплавленому металі шляхом поатомной збірки. Цей спосіб характеризується низькою швидкістю синтезу, що не перевищує величину 10-6 см / с, і присутністю в образующемся алмазі металевих домішок. Іншим, близьким до першого, є синтез алмазу з некристалічних форм вуглецю, одержуваного термічним розкладанням вуглеводнів в конденсованому стані. Хоча при цьому способі вдається позбутися від металевих домішок, швидкість синтезу залишається такою ж низькою, як і в попередньому випадку. До третього способу можна віднести вирощування епітаксійних плівок алмазу з газової фази. Отримання атомарного вуглецю в цьому випадку здійснюється в результаті термічного розкладання вуглеводнів в газових сумішах з воднем. Для отримання парів вуглецю шляхом термічного розкладання углевмістких речовин іноді використовується лазерне випромінювання, яке в цьому випадку використовується тільки для випаровування углевмістких речовин. Інший великий клас способів синтезу алмаза відноситься до так званої прямої трансформації решітки графіту в алмазну. Як встановлено, при кімнатній температурі при гідростатичному стисканні графіту освіту алмазної структури не відбувається аж до тисків 80 ГПа. Для освіти алмазної фази необхідні додатково або наявність пластичної сдвиговой деформації, або підвищення температури. Освіта алмазної структури при пластичній сдвиговой деформації при кімнатній температурі спостерігалося в камері високого тиску з алмазними ковадлами, одна з яких могла обертатися. При тиску 19 ГПа і зсувної деформації близько 3 ГПа в аморфній фазі починають рости алмазні зародки. При наявності тільки одновісного стиску монокристалла графіту при кімнатній температурі спостерігається зворотній перехід його в аморфну фазу при тиску 13 ГПа. Нагрівання стисненого зразка при цьому тиску вище 1300 К призводить до утворення і зростання зародків лонсдейліта. Утвориться фаза зберігається при послідовному знятті температури і тиску. Подальший нагрів до 2000 К призводить до переходу лонсдейліта в алмаз. Інтенсивні пластичні деформації в графіті одночасно з його стисненням відбуваються за фронтами сильних ударних хвиль, в результаті чого при тисках за фронтом 20-40 ГПа спостерігався фазовий перехід графіту в алмаз. Однак внаслідок збереження високих температур за ударною хвилею після розвантаження зразків відбувається практично повний отжиг синтезованого алмазу, тобто його зворотний перехід в графіт, і вихід алмазного порошку не перевищує часток відсотка. Для отримання ударних хвиль, а також ударних стиснень з регулюванням температури пропонувалося використовувати профільовані лазерні імпульси великої інтенсивності 1012-1014 Вт / см2, які, падаючи на зовнішню сторону мішеней, створюють високі тиску за рахунок реактивної сили випаровується матеріалу. Пропонувалося також здійснювати нагрів графіту імпульсом електричного струму із стисненням зразків власним магнітним полем струму. Однак швидке відведення тепла і збереження алмазної фази в цих пропозиціях залишається досить складною і поки не вирішеним завданням. Найбільш часто використовуваним методом швидкого відведення тепла при ударному навантаженні служить спосіб використання сумішей графіту з порошками металів, які в силу меншої стисливості в порівнянні з графітом, схильні до значно меншого нагрівання і грають роль охолоджувачів. При промисловому синтезі алмазів використовуються міднографітові суміші з вмістом графіту до 8% з яких 75% переходить в алмазний порошок. При цьому розмір полікристалів алмазу коливається від 0,1 до 60 мкм, а середній розмір частинок, що складають полікристал дорівнює 10 нм. Ударний спосіб синтезу алмазу з виходом до 50% від маси вихідного графіту реалізується також в області 6 фазової діаграми при ударному стисненні графіту в суміші з конденсованими інертними газами (N, He, Ar,) і подальшим швидкому охолодженні твердої фази за рахунок тепловідведення в швидко охолоджується при адіабатичній розвантаження інертний газ. При цьому вихід алмазу приблизно такий же, як і в попередньому випадку сумішей графіту з металевими порошками. Прототипом запропонованого способу синтезу алмаза служить спосіб перетворення графіту в алмаз в стислому стані при нагріванні імпульсом електричного струму. При цьому способі статичний тиск створювалося в ковадлі типу "belt" і досягало 20 ГПа, а максимальна температура могла доходити до 5000 К. Синтез алмазу відбувався в графітовому циліндрі висотою 3 мм і діаметром 2 мм, через який пропускався електричний струм в області тисків 10- 20 ГПа при температурах 3000-4000 К. Недоліком такого способу є неоднорідний прогрів вихідного матеріалу і як наслідок отримання темних полікристалічних зразків алмазу. Пропонований спосіб вирішує завдання синтезу прозорих алмазів у великих обсягах. У пропонованому способі, як і в прототипі, стиск і нагрівання графіту здійснюються незалежно один від одного. Однак нагрів в пропонованому способі здійснюється імпульсно-періодичним лазерним випромінюванням через прозору для нього стінку камери високого тиску, пройшовши яку випромінювання поглинається в дуже тонкому скін-шарі графіту. В якості прозорої стінки може служити сам алмаз або інший прозорий і досить міцний матеріал, наприклад, сапфір або нітрид бору. Для того щоб лазерне випромінювання проходило через який тут вирощували алмаз, необхідно, щоб величина кванта фотона h 
не перевищувала величини забороненої зони алмазу E0 5,2 еВ, тобто довжина хвилі лазера повинна бути більше 230 нм. З іншого боку, довжина хвилі лазерного випромінювання не повинна заходити в далеку інфрачервону область, де починається домішкові і загратоване поглинання алмазу, тобто повинна бути менше 5 мкм. Лазерне випромінювання в графіті поглинається на глибині скін-шару 
питома провідність графіту, 
частота лазерного випромінювання. Для Nd-лазера ( 
= 1,06 мкм) глибина скін-шару в графіті становить 
= 0,26 мкм а для XeCl-лазера ( = 0,31 мкм) вона становить 0,14 мкм, тобто у всьому оптичному діапазоні можна вважати 0,2 Час охолодження тонкого прогрітого шару завтовшки по порядку величини дорівнює: 
t = 2 / a, де a = k / 
C- коефіцієнт температуро-провідності, k коефіцієнт теплопровідності, щільність, C теплоємність. Товщина нагрітого шару дорівнює d ~ 0,2 мкм підставляючи відомі значення величин для алмазу k = 10 Вт / см град, = 3,5 г / см3, C = 2 Дж / г 
град, отримуємо величину характерного часу охолодження шару T = 1 нс Поведінка в часі температури прогреваемого шару знаходиться з рішення рівняння теплопровідності, рішення якого для частотно-імпульсного лазерного випромінювання з імпульсами прямокутної форми (I (t) = I0, для 0 
o I (t) = 0 для решти часу) дає умова нагріву графіту в скін-шарі до необхідної температури, яка своєю чергою величини дорівнює так званої температурі "графитизации" 2000 К. Ця умова має вигляд: Io o 
0,1 Дж / см2. При інтенсивності I0 50 МВт / см2 зазначена температура досягається за час 2 нс. Після охолодження нагрітого шару і перетворення його в шар алмаза процес може бути повторений вже для наступного шару графіту з подальшим його перетворенням в новий шар алмаза і т.д. Часовий інтервал між послідовними лазерними імпульсами визначається загальним часом відведення тепла в стінки камери високого тиску і може доходити до мікросекунди в залежності від її розмірів. Середня щільність потужності лазерного випромінювання визначається можливостями охолодження камери і може доходити до 10 кВт / см2. На кресленні зображена загальна схема камери для синтезу алмазної фази при лазерному опроміненні графіту в стислому стані, де 1 стінки камери високого тиску; 2 область поглинання лазерного випромінювання; 3 прозора стінка камери високого тиску. Використання лазерного випромінювання для нагрівання графіту (а в більш загальному випадку непрозорих вуглецевих речовин), притискається до алмазу, призводить до якісно нових результатів. Завдяки аномально малої глибині прогреваемого шару і виникає внаслідок цього великим градиентам температури, а також внаслідок великої величини теплопровідності алмаза тепло з тонкого прогрітого шару йде в навколишні стінки ковадла за аномально короткі часи. При цьому великі градієнти температури викликають в матеріалі також дотичні напруження, які, як показують досліди, сприяють утворенню алмазу. Змінюючи інтенсивність лазерного імпульсу, можна створювати в шарі графіту практично будь-які температури від початкової до температур 5000 К і вище. Верхня межа по тиску в камері визначається типом ковадла, що створює зовнішнє об'ємне тиск, і для типових алмазних наковален може досягати декількох десятків ГПа. Нижня межа згідно дослідам лежить в районі 10 ГПа. Після нагріву одного шару графіту і перетворення його в алмаз наступний імпульс лазерного випромінювання проходить через утворений алмазний шар і нагріває наступний шар графіту і т. Д. Тобто процес може бути багаторазово повторений, поки весь опромінюваний графіт чи не перетвориться в алмаз. На відміну від нагрівання електричним струмом лазерне випромінювання нагріває навіть випадково утворюються в алмазі непрозорі включення графіту, змушуючи їх перетворюватися в алмаз. Тому пропонований спосіб дозволяє отримувати особливо чисті і прозорі зразки алмазу в великих обсягах. Спосіб здійснюється наступним чином. Графіт поміщають в камеру тиску, одна зі стінок яких є прозорою для лазерного випромінювання. Тиск в камері, наприклад, за допомогою гідростатичного преса, підтримується весь час постійним, на рівні 10 ГПа. Через прозору стінку камери подається імпульсно-періодичне лазерне випромінювання, наприклад, 2-й гармоніки Nd-лазера = 0,53 мкм в якому твір щільності інтенсивності в імпульсі на тривалість імпульсу задовольняє умові Io o 0,2 Дж / см2. При інтенсивності I0 50 МВт / см2 температура 1000 К досягається за час 2 нс. Після охолодження нагрітого шару за таке ж по порядку величини час і перетворення його в алмаз наступний лазерний імпульс нагріває наступний шар стисненого графіту і процес триває до повної трансформації графіту в алмаз. Після виключення лазерного випромінювання і зняття тиску отриманий алмаз виймається з камери. Слід зазначити, що лазерне випромінювання, особливо в ультрафіолетовій області спектра, крім чисто теплового впливу на графіт може сприяти перебудові стисненого графіту в алмаз переводячи атоми вуглецю в електронно-збуджений стан, тим самим стимулюючи перебудову валентних зв'язків, характерну для структури алмазу. При цьому синтез алмазу може відбуватися без істотного підвищення температури шляхом фотохімічного впливу лазерного випромінювання на фазовий перехід стислий графіт-алмаз. В останньому випадку для синтезу алмаза можна використовувати безперервне лазерне випромінювання слабкої інтенсивності. Швидкість кордону нарощування алмаза можна оцінити з міркувань розмірності: vd = I / ( EgNg) де I середня інтенсивність лазерного випромінювання, поглиненого в графіті, Eg характерна енергія, необхідна для перебудови одного атома вуглецю з решітки графіту в решітку алмаза, вона по порядку величини дорівнює Eg = kTg де Tg = 2000, k температура "графитизации", Ng = 1022 см-3 щільність атомів вуглецю. При середній щільності поглинається в графіті лазерної потужності в 10 Вт / см2 швидкість росту алмазу повинна становити близько 1 мм / с. Величина вирощуваних алмазів визначається тільки величиною обсягу, в якому зовнішнім пристроєм, наприклад, гідростатичним пресом, створюється необхідне для синтезу алмаза тиск, і в даний час може доходити до декількох кубічних сантиметрів. Відзначимо, що пропонований спосіб відрізняється як високою швидкістю росту, так і високою чистотою одержуваних алмазів, так як не пов'язаний з використанням каталізаторів і внесенням сторонніх домішок в процесі синтезу. Він може бути використаний для стимулювання зростання будь-якого прозорого для лазерного випромінювання речовини, що знаходиться в контакті з непрозорим матеріалом, службовця для нього вихідним продуктом.
формула винаходу
Спосіб вирощування алмазу з графіту в камері високого тиску шляхом стиснення до тисків від ~ 5 до ~ 50 ГПа, нагрівання не нижче 1000 К і подальшого охолодження, що відрізняється тим, що нагрівання та охолодження графіту здійснюють в скін-шарі, впливаючи на графіт імпульсно-періодичним лазерним випромінюванням з довжиною хвилі більше 0,23 мкм, але менше 5 мкм, через прозору для нього стінку камери високого тиску.
МАЛЮНКИ
Малюнок 1