DE2221703A1

DE2221703A1 - Verfahren zum Zuechten von Diamanten

Info

Publication number: DE2221703A1
Application number: DE19722221703
Authority: DE
Inventors: Vickery Earl C
Original assignee: Diamond Squared Industries Inc
Current assignee: Diamond Squared Industries Inc
Priority date: 1971-05-03
Filing date: 1972-04-29
Publication date: 1972-11-16
Also published as: ZA722860B; US3714334A

Description

EIKENBERG 8t BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

DIAMOND SQUARES IKDUSSRIES INC. 246/59

Verfahren zum Züchten von Diamanten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten von Diamanten unter Verwendung von Diamantkristallkeimen, mit dem synthetische Diamanten, Diamantstaub, Diamantpulver und Diamantsorten für industrielle Anwendungszwecke herstellbar sind.

Es sind verschiedene Verfahren zum synthetischen Herstellen solcher Diamanten bekannt.Aus der US-PS 3 030 187 ist beispielsweise ein Verfahren zum Züchten von Diamanten unter Verwendung von Diamantkristallkeimen bekannt, bei dem eine j

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der beiden folgenden Reaktionsreihen angewendet wird:

(Diamant) + 2H2

CH₄ >C (Graphit) + 2H2

oder

II 2CO >0 (Diamant) + C02

200 >C (Graphit) +002

Die mit I "bezeichneten Reaktionen werden bei atmosphärischem Unterdruck und bei Temperaturen zwischen 900° und 1100⁰C durchgeführt. Die mit II bezeichneten Reaktionen erfolgen bei einem Druck von etwa 10 Atmosphären und bei Temperaturen zwischen 900° und 1100⁰C. Beide Verfahren haben jedoch den im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit grundsätzlichen Nachteil, daß gleichzeitig mit dem Diamantkohlenstoff Graphitkohlenstoff erzeugt wird und dieser Graphitkohlenstoff oder amorphaa Kohlenstoff ebenfalls auf der Oberfläche des Diamantkristallkeims abgelagert wird. Es ist daher notwendig, daß die Reaktion periodisch unterbrochen wird und die Diamantkristallkeime ständig gereinigt werden, um den Graphitkohlenstoff zu entfernen, und erst dann kann die Reaktion fortgesetzt werden, um weitere Mengen von Einkristallkohlenstoff auf die Kristallkeime aufzubringen. In der Patentschrift ist erwähnt, daß die Reinigungszeit viermal so groß wie die Ablagerungszeit ist, so daß das Verfahren unwirtschaftlich ist.

Ein geringfügig abgeändertes Verfahren ist in der US-FS 3 371 996 beschrieben, bei dem beim Züchten synthetischer Diamanten die folgende Reaktion abläuft:

200 >C + 002

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Diese Reaktion läuft bei einem Druck von einer Atmosphäre und
bei einer Temperatur von nicht mehr als 120O⁰C ab. Außerdem erfolgt die Reaktion in Anwesentheit eines oder mehrerer Metalle
aus der die Metalle Platin, Iridium, Osmium,Rhenium, Gold, Paladium, Ruthenium, Rhodium, Silber und Nickel umfassenden Gruppe. Das erwähnte Metall hat dabei im wesentlichen die Aufgabe,
als Katalysator die Bildung von Kohlenstoff aus Kohlenmonoxid ^; zu beschleunigen. Es hat sich leider herausgestellt,daß diese ' Reaktion auch zur Bildung von Graphit oder amorphen Kohlenstoff | führt, der auf der Oberfläche des Diamantkristallkeimes abge- j lagert wird und damit den wirksamen Arbeitsablauf stört, weil j wiederum zur Herstellung eines reinen und klaren Diamanten eine ' wiederholte Reinigung des Kristallkeims erforderlich ist· j

In ähnlicher Weise befassen sich auch die US-Patent- j Schriften 3 079 237 und 3 030 188 mit der Bildung von Kohlen- ι stoff und/oder der Synthese von Elementen unter Verwendung von
Diamantkristallkeimen·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren . zu schaffen, >das ohne Unterbrechung ablaufen kann, das eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit bietet und das die Herstellung von , Diamanten mit einem hohen Reinheitsgrad gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß die Diamantkristallkeime mit einem Kohlenwasserstoff, der zwischen 1 und etwa 5 Kohlenstoffatome besitzt, in einer
Atmosphäre in Kontakt gebracht werden, die aus wenigstens 95
Volumenprozenten Wasserstoffgas und nicht mehr als 5 Volumen- ! Prozenten des genannten Kohlenwasserstoffs besteht, daß die
Temperatur der Reaktionsatmosphäre im Bereich zwischen etwa 1100, bis etwa 1700⁰C gehalten wird, daß die Kristallkeime mit dem

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Kohlenwasserstoff und dem Wasserstoffgas bei Vorhandensein eines aus Platin und/oder Paladium bestehenden Katalysators zur Reaktion gebracht werden, wodurch der Kohlenwasserstoff Diamantkohlenstoff bildet, der sich auf der Oberfläche der Kristallkeime absetzt und wodurch zugleich aus dem Kohlenwasserstoff weniger stabile Kohlenstofformen gebildet werden, die mit dem Wasserstoffgas in Verbindung mit dem Katalysator und bei den genannten Temperaturbedingiingen reagieren und dadurch zusätzliche Kohlenwasserstoffmengen'erzeugen, und daß das Verfahren so lange fortgesetzt wird, bis das gewünschte Diamantwachstum erreicht worden ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Diamanten mit einem Reinheitsgrad hergestellt werden,der mit den bisher bekannten Verfahren nicht erreicht werden konnte, und zwar weil

die Ablagerung von elementarem oder amorphem Kohlenstoff vermie- ' den wird. Dadurch entfällt auch das Problem der ständigen Unterbrechung des Wachstumsprozesses zur Reinigung des Kristallkeime und zur Entfernung des darauf abgelagerten amorphen Kohlenstoffes. Durch die Kontinuität des Verfahrensablaufes erhöht sich die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens außerordentlich. Auch ergibt die Erfindung eine Wachstumsgeschwindigkeit der Diamantkristallkeime, die mit den bekannten Verfahren bisher nicht erreicht werden konnte. Ferner entfällt die Notwendigkeit für einen Katalysator, der den Zerfall des Kohlenwasserstoffes zwecks Bildung von Einkristall-Kohlenstoff erleichtert. Vielmehr wird ein Katalysator nur zum katalysieren der Reaktion zwischen Wasser stoff und dem bei der Zersetzung des Kohlenwasserstoffs gebildeten Graphit oder elementaren Kohlenstoff verwendet, um zusätzliche Mengen von Kohlenwasserstoff zu bilden und damit eine ständige Quelle von Einkristall-Kohlenstoff zu schaffen, der auf der Oberfläche des Diamantkristallkeims abgesetzt wird. Das er- <

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findungsgemäße Verfahren arbeitet mit Temperaturen von einer Höhe, die bisher bei derartigen Verfahren nicht angewendet wurde. Die mit dein erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare Wachs· tumsrate liegt in der Größenordnung von 0/1 bis etwa 0,25 Mikrometer pro Minute und Pläohe des Kristallkeims, wodurch die Größe und das Gewicht des Diamanten rasch wachsen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft im einzelnen folgendermaßen ab. Zunächst wird ein Diamantkristallkeim, auf dem das synthetische Wachstum erfolgen soll, in einen Katalysator-Kegelerhitzer gelegt, wobei als Katalysatorerhitzer vorzugsweise Platin oder Paladium verwendet werden. Dann wird um den im Kegelerhitzer befindlichen Diamantkristallkeim eine Atmosphäre geschaffen, die aus wenigstens 95 1° Wasserstoffgas und 5 $ oder weniger Kohlenwasserstoff mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen besteht. Dabei wird atmosphärischer Druck oder ein etwas höherer Druck aufrechterhalten, und der Kegelerhitzer wird auf eine Temperatur zwischen 1100⁰O und 1700⁰O aufgeheizt, um das Aufbringen von Einkristall-Kohlenstoff auf die Oberfläche des Kristallkeimes einzuleiten und fortzusetzen. Unter diesen Arbeitsbedingungen nimmt die Größe des Kristallkeims mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,1 bis 0,25 Mikrometer pro Miaute und fläche zu, und die Wachstumsgeschwindigkeit bleibt während des gesamten VerfSirensablaufes erhalten, da eine Ablagerung voa elementarem oder amorphem Kohlenstoff auf der Oberfläche des Diamantkristallkeims bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden wird.

Es ist natürlich unbedingt notwendig und wichtig, daß die Kristallkeime vollkommen sauber sind,' bevor das Verfahren eingeleitet wird, da die Sauberkeit des .Kristallkeimes Voraus-

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setzung für ein brauchbares epitaxiales Wachstum τοη Diamanten ; ist. Die vorhandenen Verunreinigungen enthalten neben anderen ! Metallen auch Eisen, und diese Verunreinigungen werden gewöhnlich durch Reinigung der Kristallkeime in lösungen wie Trichlor-| äthylen und durch Reinigen in Säuren wie Schwefelsäure und Salpetersäure entfernt· Verfahren zur Reinigung der Kristallkeime sind beispielsweise in der US-PS 3 030 188 beschrieben.

Im Anschluß an die Reinigung der Diamantkristallkeime mit einer Säure wie Schwefelsäure oder Salpetersäure werden die Kristallkeime vollständig in Wasser von hoher Reinheit abgespült und sorgfältig getrocknet. Im Anschluß daran wird der ; Kristallkeim in den Kegelerhitzer gelegt, und der weiter unten noch vollständig beschriebene Reaktor wird dann 10bis 15 Minuten lang einer oxidierenden Atmosphäre aus Sauerstoff oder trookener, gefilterter Luft bei einer Temperatur von mehr als 400⁰O ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen werden die restlichen Verunreinigungen auf der Oberfläche des Kristallkeims in Gase umgewandelt, so daß eine außerordentlich reine Diamantoberfläche für das epitaxiale Wachstumsverfahren gebildet wird.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Kristallkeime können natürliche oder synthetische Diamanten sein, und es hat sich gezeigt, daß die handelsübliche 0-1 Mikron Diamantsorte, bei der die Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,1 Mikron aufweisen, als Kristallkeim für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist. Es können natürlich auch größere Kristallkeime verwendet werden, obwohl klar ist, daß ein größerer Gewichtsgewinn bei kleineren Kristallkeimen erzielt wird, weil die Oberfläche kleinerer Kristalle viel grosser ist. Das Diamantwachstum ist nämlich eine Punktion der für die Ablagerung von Einkristall-Kohlenstoff verfügbaren Oberflä-

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chengröße, und aus diesem Grunde erreicht man mit kleineren Kristallen, die eine größere Oberfläche haben, einen größeren Gewinn an Gewicht und Größe. . ;

Es wurde bereits oben erwähnt, daß der Stand der Technik

verschiedene Ausgangsstoffe als Kohlenstoffquelle für ein Ver- j fahren zum Züchten von Diamanten zeigt. So findet man Kohlen- ;

monoxid als Quelle für Einkristall-Kohlenstoff, und ein Ver- ! fahren unter Verwendung von Kohlenmonoxid ist in der US-PS 3 030 188 beschrieben. Andere, als Kohlenstoffquelle verwendete : Stoffe sind geradkettige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ithan, · Propan, Butan und dergleichen, sowie Methylchlorid, Methyl- j mercaptan und Aceton. Bei den bekannten, mit Kohlenwasserstof- ^: fen arbeitenden Verfahren war es jedoch nicht möglich, die Bildung von Graphit oder elementarem Kohlenstoff zu verhindern, ; und daher mußten dort stets während des Wachstumsprozesses die Kristallkeime gereinigt werden. In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde gefunden, daß Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen sehr gut geeignet sind, sofern für den Wachstumsprozess geeignete Reaktionsbedingungen geschaffen : werden. Daher sollen von der Erfindung als Ausgangsstoffe auch geradkettige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Äthan, Propan, Butan und Pentan umfaßt werden, d.h. jene Stoffe, die im allgemeinen 1 bis 5 Kohlenstoffatome besitzen, wobei aber als Folge der verwendeten Reaktionsbedingungen etwa entstehender elementarer oder amorpher Kohlenstoff sofort wieder in Kohlenwasserstoff umgesetzt wird, so daß eine zusätzliche Quelle für Einkristall-Kohlenstoff geschaffen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren macht daher von dem Mechanismus Gebrauch,^Kohlenstoffatome aus Kohlenwasserstoffverbindungen oder aus Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen, wie z.B. geradkettigen Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, zu erzeugen, und zwar gemäß der folgenden

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Reaktion.:

η ττ Hitze

ο + H₂ (Gas)

Der bei dieser Reaktion gewonnene atomare Kohlenstoff orientiert sich bei einer Anordnung auf oder in der Nähe der Oberfläche des Kristallkeims selbst in die genaue Konfiguration des Keims und wird auf diesem abgelagert. Aufgrund der verwendeten Temperaturbedingungen und der den Kristallkeim umgebenden Atmosphäre wird elementarer oder amorpher Kohlenstoff, der sich bildet und freigesetzt wird, sofort in Kohlenwasserstoff gemäß der folgenden Reaktion umgesetzt:

ow j. η Katalysator ^{2 H}2 ^{+ G} Hitze

Die Reaktionsbedingungen, unter denen das Verfahren abläuft, sind für den Erfolg des Verfahrens außerordentlich wichtig. Daher sind auch alle einzelnen Paktoren, wie das Ausgangsmaterial, die Temperatur, die den Diamantkristallkeim umgebende Atmosphäre und der verwendete Katalysator-Erhitzer von Bedeutung für die Erzielung eines kontinuierlichen Diamantwachstumsprozesses und einer verbesserten Wachstumsrate des Kristallkeims« Hinsichtlich der Temperatur sei bemerkt, daß im gesamten Stand der Technik nur Temperaturen im Bereich zwischen 600° und 1100⁰C verwendet werden. Dieser Temperaturbereich ist beispielsweise in der US-PS 3 371 996 für ein Diamante-nwachstumsverfahren mit Kohlenmonoxid als Ausgangsmaterial vorgeschrieben, denn bei einer Temperatur von mehr als 1100⁰C würde Graphit auf der Diamantenoberfläohe anstatt von Diamantkohlenetoff abgelagert, so daß i

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ein Diamantenwachstum nicht eintrittJ3bsnsoist bei dem Verfahren in| der US-PS 3 030 188 die Arbeitstemperatur auf etwa 1000⁰G be- S schränkt, weil bei einer Temperatur von 1200⁰C Ruß abgelagert wird und kein Diamantenwachstum mehr feststellbar ist. Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Temperatur zwischen 110O⁰O und. 170O⁰C verwendet, wobei der bevorzugte Bereicht zwischen 150O⁰C und 170O⁰C liegt. Hierdurch wird die ! Bildung und Ablagerung von elementarem Kohlenstoff vermieden, : so daß ein kontunierlicher Verfahrensablauf ermöglicht wird. Es wurde festgestellt, daß bei einer Temperatur unter HOO⁰C nicht das erforderliche Maß von Disassosiation des Kohlenwasserstoffs _: zur Bildung von Kohlenstoff erreichbar ist. Oberhalb von 1700⁰C ' würde das Metall, aus dem der Katalysator-Erhitzer besteht, : schmelzen. Es wurde gefunden, daß bei Anwendung dieses Temperaturbereiches und als Folge der mit Wasserstoff angereicherten ! Atmosphäre, die den Diamantkristallkeim umgibt, elementarer oder amorpher Kohlenstoff oder Graphitkohlenstoff, der bei der Zersetzung des Kohlenwasserstoffes gebildet wird, bei Anwesenheit ι des zugleich als Erhitzer verwendeten Katalysators und bei dem erwähnten Temperaturbereich eine Verbindung mit dem Wasserstoff | eingeht, so daß ein Kohlenwasserstoff gebildet wird und eine. Ablagerung von amorphen oder Graphitkohlenstoff auf der Oberfläche des Kristallkeims verhindert wird. Aus diesem Grunde ist es für ! das erfindungsgemäße Verfahren von großer Wichtigkeit, daß eine Temperatur innerhalb des Bereiches von 1100⁰C und 1700⁰C einge- S halten wird.

Hinsichtlich der Druokbedingungen wurde gefunden, daß daa erfindungsgemäße Verfahren weitgehend druckunabhängig ist. Das Verfahren wurde sowohl unter Vakuumbedingungen als auch bei einem

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oberhalb einer Atmosphäre liegenden Druck mit Erfolg durchgeführt, so daß aus Gründen der Einfachheit und Bequemlichkeit die Durchführung des Verfahrens bei Atmosphärendruck vorzuziehen ist.

Ein anderer wesentlicher G-esichtspunkt der Erfindung ist I die den Diamantkristallkeim während des Wachstumsprozesses umgebende Atmosphäre. Es wurde gefunden, daß eine Atmosphäre aus wenigstens 95 # Wasserstoffgas und höchstens 5 % Kohlenwasserstoff besonders geeignet ist. Das Verhältnis von Wasserstoffgas zu Kohlenwasserstoff hängt von dem bei der Reaktion verwendeten Kohlenwasserstoff ab. Wenn beispielsweise ein Kohlenwasserstoff mit 5 Kohlenstoffatomen, z.B. Pentan, verwendet wird, kann eine geringere Menge an Kohlenwasserstoff verwendet werden, da bei der Disassoziation und der Zersetzung des Kohlenwasserstoffee pro Kohlenwasserstoffmolekül mehr Kohlenstoff verfügbar ist. In der Praxis wurde das Verfahren mit Erfolg bei einem Kohlenwasser stoff volumen von nur einem Teil pro Billion durchgeführt. Wie oben erwähnt wurde, werden vorzugsweise gradkettige Kohlenwasserstoffe mit nicht mehr als 5 Kohlenstoffatomen verwendet, weil solche Kohlenwasserstoffe beider Zersetzung unter den erwähnten Hitze- und Druckbedingungen stets ein Methylradikal erzeugen. Andererseits neigen Kohlenwasserstoffe mit verzweigten Ketten bei der Zersetzung zur Erzeugung anderer Radikale und sind daher weniger geeignet. Außerdem hat ein mehr als 5 Kohlenstoff atome aufweisender Kohlenwasserstoff im gasförmigen Zustand die Neigung, sich zu verflüssigen, so daß eine Herabsetzung des Druckes erforderlich wird, um eine solche Verflüssigung zu verhindern. Aus diesem Grunde wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von gradkettigen Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 5 Kohlen stoffatomen Gebrauch gemacht·

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Ein anderer wichtiger Punkt ist die Verwendung von Was- j ser stoff gas in der den Diamantkristallkeim umgebenden Atmosphäre. Wie erwähnt, reagiert das Wasserstoffgas mit elementarem oder \ amorphem Kohlenstoff oder Graphitkohlenstoff, wenn dieser bei der Zersetzung des verwendeten Kohlenwasserstoffes gebildet wird, so daß weitere Mengen von Kohlenwasserstoff entstehen. In j Anwesenheit des Katalysator-Erhitzers und bei Semperaturbedingungen zwischen 110O⁰C und 170O⁰O ionisiert das Wasserstoffgas und bildet Wasserstoffionen, die gern mit dem elementaren Kohlenstoff oder Graphitkohlenstoff reagieren, da diese Form des Kohlenstoffs weniger stabil ist als der Einkristall-Kohlenstoff oder Diamantkohlenstoff, der auf die Oberfläche des Kristallkeims aufgebracht werden soll. Der zusätzliche Kohlenwasserstoff entsteht dabei nach der folgenden Reaktion:

υ . _n Katalysator H₂ + C _Hitze' »

Diese Reaktion tritt mit Sicherheit ein, wenn man die Atmosphäre mit Wasserstoffgas wörtlich "überflutet", so daß amorpher Kohlenstoff oder Graphitkohlenstoff sich auf der Oberfläche des Kristallkeims nicht ablagern kann. Es sei hervorgehoben, daß während des Wachstumsprozesses zu keiner Zeit die Notwendigkeit besteht, die Reaktion zu unterbrechen,um den Kristallkeim zwecks Reinigung zu entfernen oder um diese instabile Eorm des Kohlenstoffes von \ der Oberfläche des Keimkristalls zu entfernen. Es ist bekannt, daß dann, wenn amorpher Kohlenstoff oder elementarer oder Gra- j phitkohlenstoff auf der Oberfläche "des Keimkristalls abgelagert j worden ist, durch das Vorhandensein dieser KohlenBtofform das I neue Wachstum schwarz wird, und die Struktur des Diamantenwachs- ; turne wird bis zu dem Punkt gestört, wo Graphit und amorpher

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Kohlenstoff auf dem Kristallkeim abgelagert worden ist. Das Diamantenwachstum würde aufhören, weil für die Ablagerung von Kohlenstoff in Form von Graphit und amorphein Kohlenstoff im Gegensatz zu Einkristall-Kohlenstoff oder Diamantkohlenstoff weniger Energie erforderlich ist. Die Wasserstoffatmosphäre in Verbindung mit dem Katalysator-Erhitzer,der diese Reaktion katalysiert, bilden somit in dem erfindungsgemäßen Verfahren außerordentlich wichtige Paktoren·

Die Aufgabe des Katalysators besteht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht darin, die Disassoziation oder die Zersetzung des Kohlenwasserstoffes während des Wachstumsprozesses wie bei den bekannten Verfahren zu katalysieren. Vielmehr besteht die Aufgabe des Katalysators bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darin, die Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas und dem amorphen Kohlenstoff oder Graphitkohlenstoff, der bei der Zersetzung des Kohlenwasserstoffes entsteht, zu katalysieren, um weitere Mengen von Kohlenwasserstoff zu erzeugen. Die gesamte Ausrüstung wird dadurch ebenso wie der Kristallkeim von der Ablagerung elementarem Kohlenstoffes freigehalten, so daß das Verfahren kontinuierlich ablaufen kann, bis die gewünschte Diamantgröße erreicht ist. Vorzugsweise werden als Stoffe für den Katalysator Fiatin und Faladium verwendet, und es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Erhitzer entweder aus Paladium- oder Platindraht herzustellen. Hierbei wird der Platin- oder Paladiumdraht nicht nur als Katalysator verwendet sondern auch als Widerstandserhitzer· Da Diamanten wegen ihrer Durchsichtigkeit durch Strahlungshitze nicht gut erhitzt werden, wird der Platinoder Paladiumdraht in die Form eines Kegels gewiokelt, und der Kristallkeim kann dann in den Kegel eingelegt werden, und aufgrund der Tatsache, daß Wasserstoffgas den Diamantkrietallkeim

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umgibt, erfolgt eine Erhitzung durch den Widerstandserhitzer, der seinerseits den Kristall erhitzt. Natürlich kann die Erhitzung auch, auf andere Weise erfolgen, beispielsweise mittels Hochfrequenz oder im Ofen, und dies kann ao lange getan werden, wie das Platin in der Lage ist, seine Punktion als unorthodoxer Katalysator zur Katalysierung der Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem elementaren Kohlenstoff oder Graphitkohlenstoff | zu erfüllen. Platin und Paladium sind zwar als Katalysatorstoffe zu bevorzugen, jedoch wurde gefunden, daß auch Nickel- oder Silber-Katalysatoren verwendet werden können, jedoch sind diese Stoffe weniger wirksam. Es können auch Erhitzer verwendet werden, die aus einer mit Platin oder Paladium plattierten metallischen Substanz bestehen und dann in eine Kegelform zur Aufnahme des Kristallkeims gebracht werden.

Voraussetzung für die bei dem erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Stoffe ist, daß diese Stoffe oder die Ausrüstung entweder Temperaturen im Bereich zwischen 1100⁰C und 1700⁰G standhalten, oder daß diese Stoffe und Teile gegen die Hitze abgeschirmt werden. Handelsübliche horizontale oder vertikale : Reaktoren sind mit guten Ergebnissen benutzt worden, und im allgemeinen besteht eine solche Ausrüstung lediglich aus einer Plattform mit positiven und negativen Anschlußklemmen, an die die Enden des Katalysator-Erhitzers angeschlossen werden. Die den Katalysator-Erhitzer und die Zuleitungen umgebende Atmosphäre wird mit einer geeigneten Vorrichtung umhüllt, beispielsweise mit-j tels einer Glasglocke oder dergleichen, die mit Gaseinlässen und einem Grasauslaß versehen ist, damit das Kohlenwasserstoffgas und das Wasserstoffgas zur ReaktiomsatmoSphäre gelangen kann und verbrauchte Gase abgeführt werden können«

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Bei einem praktischen Beispiel der Erfindung wurde ein kubischer Diamantkristallkeim verwendet, wobei die Kantenlänge des Kubus ein Mikrometer betrug. Dabei wurden folgende Reaktionsbedingungen verwendet:

a) die gasförmige Atmosphäre bestand aus 95 # Wasserstoffgas und 5 i» Methangas bezogen auf das Volumen;

b) die Temperatur wurde auf etwa 150O⁰G gehalten;

c) es würde ein Platin-Katalysator-Erhitzer verwendet, der in Form eines Kegels gewickelt war und zur Aufnahme des Diamantkriatallkeims diente;

d) in der Reaktionskammer wurde ein atmosphärischer Druck verwendet·

Nach Einschalten der Stromquelle begann die Reaktion und nach einer Reaktionszeit von 1 Minute war jede Seite des Kubus auf 1,2 Mikrometer angewachsen, was einer berechneten Wachstumsrate von etwa o,1 Mikrometer pro Fläche und Minute bei einer Wachstueszeit von 20 Minuten entspricht. Das Ursprungsvolumen des Kubus war 1 Kubikmikrometer und nach einer Reaktionszeit von 1 Minute wurde das Volumen des Kubus mit 1,728 Kubikmikrometer gemessen, was einer metrischen Volumenzunahme von 72,8 # entspricht· **

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Es wurde ermittelt, daß bei den oben angegebenen Bedingungen die Wachstumsgeschwindigkeit eines Diamantkristall- ■ keim s zwischen 0,1 bis 0,25 Mikrometer pro I¹ Iac he und Minute beträgt. Beim Vergleich der Wachstumsrate, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbar ist, mit bekannten Verfahren wurde mathematisch ermittelt, daß die Wachstumsrate bei der Erfindung in der Größenordnung zwischen 50 # und 400 $ höher ist als bei den bekannten Verfahren.

Zusammenfassend bietet also das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren eine unvergleichlich höhere Wirtschaftlichkeit, weil das Verfahren kontinuierlich durchführbar ist und eine erhöhte Wachstumsgeschwindigkeit erreicht wird.

- Patentansprüche -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Züchten von Diamanten unter Verwendung von Diamantkristallkeimen, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantkristallkeime mit einem Kohlenwasserstoff, der zwischen 1 und etwa 5 Kohlenstoffatomen "oesitzt, in einer Atmosphäre in Kontakt gebracht werden, die aus wenigstens 95 Volumenprozenten Wasserstoffgas und nicht mehr als 5 Volumenprozenten des genannten Kohlenwasserstoffes besteht, daß die Temperatur der Reaktionsatroosphäre im Bereich zwischen etwa HOO⁰C bis etwa 1700⁰C gehalten wird, daß die Kristallkeime mit dem Kohlenwasserstoff und dem Wasserstoffgas bei Vorhandensein eines aus Platin und/oder Paladium bestehenden Katalysators zur Reaktion gebracht werden, wodurch der Kohlenwasserstoff Biamantkohlenstoff bildet, der sich auf der Oberfläche der Kristallkeime absetzt und wodurch zugleich aus dem Kohlenwasserstoff weniger stabile Kohlenstofformen gebildet werden, die mit dem Wasserstoffgas in Verbindung mit dem Katalysator und bei den genannten Temperaturbedingungen reagieren und dadurch zusätzliche Kohlenwasserstoffmengen erzeugen, und daß das Verfahren 30 lange kontinuierlich fortgesetzt wird, bis das gewünschte Diamantenwachstum erreicht worden ist.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenwasserstoffe geradkettige Kohlenwasserstoffe mit 1 Dis 5 Kohlenstoffatomen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator. Platin verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Platinkatalysator aus einem Platindraht gebildet wird, dessen mit Kontakten versehenen Enden an eine Stromquelle angeschlossen werden, die den Platinkatalysator erhitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Atmosphäre aus 95 i> Wasserstoffgas und 5 $> Kohlenwasserstoff besteht, wobei der Kohlenwasserstoff aus geraden Ketten mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen aufgebaut ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der. Kohlenwasserstoff ein Methan enthält.

bs/br

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