Die Herstellung von im Labor gezüchteten Diamanten: HPHT- und CVD-Verfahren

Einführung

Im Labor gezüchtete Diamanten sind eine moderne Alternative zu geförderten Diamanten. Sie haben die gleiche chemische Zusammensetzung wie natürliche Diamanten. Sie werden unter kontrollierten Bedingungen gezüchtet. Im Folgenden werden die beiden wichtigsten Verfahren zur Herstellung von im Labor gezüchteten Diamanten erläutert.

Was sind im Labor gezüchtete Diamanten?

Labordiamanten sind Kristalle, die nicht in der Erde, sondern im Labor gezüchtet werden. Sie werden aus reinem Kohlenstoff hergestellt. Sie besitzen die gleiche sp³-Bindung und kubische Kristallstruktur wie natürliche Diamanten. Sie sind chemisch identisch. Sie haben in den meisten Fällen die gleiche Brillanz und Härte.

Die Hauptvorteile dieser Diamanten sind die ethische Beschaffung, da sie nicht abgebaut werden. Die Auswirkungen auf die Umwelt sind vernachlässigbar, und die Kosten sind niedriger als bei geförderten Diamanten. Sie bieten eine gute Qualitätskontrolle über die Qualität des Endprodukts. Aus diesem Grund werden sie sowohl für Schmuck als auch für industrielle Anwendungen bevorzugt.

Überblick über die Techniken der Diamantensynthese

Die Geschichte der Diamantensynthese reicht bis in die 1950er Jahre zurück, als erste Experimente durchgeführt wurden, um festzustellen, ob Diamanten außerhalb der Natur gebildet werden können. In der heutigen Zeit gibt es zwei etablierte Verfahren.

Die erste Methode ist das Hochdruck- und Hochtemperaturverfahren. Es ahmt den natürlichen Prozess tief im Erdinneren nach, wo Diamanten über einen Zeitraum von Millionen von Jahren gebildet werden. Das zweite Verfahren ist die chemische Abscheidung aus der Gasphase. Sie baut den Diamanten Atom für Atom auf und bietet eine genaue Kontrolle über den Wachstumsprozess.

Beide Verfahren haben sich im Laufe der Zeit verbessert. Beide haben ihre Bedingungen und ihr Getriebe. Beide können für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden. Lassen Sie uns die Merkmale und Vorteile beider Verfahren kennenlernen.

Die Hochdruck- und Hochtemperaturmethode

Das Prinzip der Hochdruck- und Hochtemperatur-Züchtung

Das Verfahren beruht auf der Tatsache, dass die Diamantbildung unter sehr strengen Bedingungen erfolgt. Es werden Drücke von 5 bis 6 Gigapascal verwendet. Die Temperatur wird bei 1500 bis 1600 °C gehalten. Diese Bedingungen erleichtern die Umwandlung von Graphit in Diamant. Die Umwandlung wird durch diese extremen Bedingungen unterstützt. Dieser Prozess ähnelt dem Prozess in der Natur, allerdings in einem sehr kurzen Zeitraum.

Ausrüstung und Einrichtung

Für dieses Verfahren ist eine spezielle Ausrüstung erforderlich. Es gibt verschiedene Pressensysteme. Üblich sind kubische Pressen, Bandpressen und Split-Sphere- (oder BARS-) Systeme. In diesen Maschinen können hoher Druck und hohe Temperaturen gehandhabt werden, so dass der Wachstumsprozess kontrolliert abläuft.

Prozess-Schritte

Das Verfahren beginnt mit einem kleinen Diamantkeim. Eine Kohlenstoffquelle wird hinzugefügt und extremen Bedingungen unterworfen. Ein geschmolzener Metallkatalysator, Eisen, Nickel oder Kobalt, wird zugeführt. Der Katalysator trägt dazu bei, dass sich die Kohlenstoffatome zu einer Diamantform anordnen. Das Wachstum ist sehr langsam. Der Diamantkristall bildet sich mit der Zeit aus dem Keim heraus. Dieser Prozess kann je nach Größe und Qualität Stunden oder sogar Tage dauern.

Typische Merkmale

Diamanten, die bei diesem Verfahren entstehen, können einen schwachen Gelbstich aufweisen. Die Ursache für diese gelbliche Färbung ist die Einbringung von Stickstoff während des Wachstums. Sie weisen außerdem deutliche Einschlussmuster und sichtbare Wachstumszonen auf. Es können sowohl Diamanten in Industriequalität als auch Diamanten in Edelsteinqualität hergestellt werden. Die meisten dieser Diamanten werden in der Industrie verwendet, da ihre physikalischen Eigenschaften für Arbeiten wie Schneiden, Bohren und Schleifen geeignet sind.

Das Verfahren der chemischen Abscheidung aus der Gasphase

Prinzip des Chemical Vapor Deposition Growth

Das Chemical Vapor Deposition-Verfahren ist einzigartig. Es beginnt mit einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffgasen wie Wasserstoff und Methan. In der Gasphase wird in einer Vakuumkammer ein Kohlenstoffplasma erzeugt. Die Atome fallen auf ein Substrat und bauen den Diamanten Schicht für Schicht auf. Mit diesem Verfahren haben die Wissenschaftler eine bessere Kontrolle über die Reinheit und Struktur des entstehenden Diamanten.

Prozess-Schritte

Bei dieser Methode wird zunächst ein sauberes Substrat vorbereitet. Das Substrat enthält in der Regel einen winzigen Diamantkeim. Der Prozess findet dann in einer Vakuumkammer statt. Ein Mikrowellenplasma oder ein heißes Filament wird zur Dissoziation von Kohlenwasserstoffgas verwendet. Die Kohlenstoffatome werden freigesetzt und lagern sich dann auf dem Substrat ab. Die Wachstumsrate, die Kammertemperatur und das Verhältnis der Gase werden sorgfältig kontrolliert. Diese präzise Stapelung ermöglicht die Bildung sehr gleichmäßiger Schichten von Diamanten, die häufig weniger metallische Einschlüsse enthalten.

Qualität der Diamanten im Ergebnis

Mit dem Chemical Vapor Deposition-Verfahren können sehr reine Diamanten gewonnen werden. Sie sind meist farblos und werden als Diamanten vom Typ IIa bezeichnet. Diese Diamanten haben eine sehr gleichmäßige innere Struktur. Im Vergleich zum Hochdruck- und Hochtemperaturverfahren weist das Verfahren meist weniger Defekte auf. Da sie sehr transparent sind und kontrollierte Eigenschaften haben, sind sie ideal für hochwertigen Schmuck. Auch in der Halbleiterindustrie werden diese Qualitätsdiamanten in zahlreichen Anwendungen eingesetzt.

Fazit

Labordiamanten sind das Ergebnis fortschrittlicher Technologie und jahrzehntelanger Forschung. Bei der Hochdruck- und Hochtemperaturmethode wird die Natur nachgeahmt. Dabei wird Graphit unter hohem Druck und bei großer Hitze mit Hilfe eines Katalysators in Diamant umgewandelt. Bei der Methode der chemischen Gasphasenabscheidung wird der Diamant Atom für Atom im Labor hergestellt. Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der größte Unterschied zwischen natürlichen Diamanten und im Labor gezüchteten Diamanten?

A: Im Labor gezüchtete Diamanten werden in Labors hergestellt, während natürliche Diamanten im Boden gebildet werden.

F: Warum sollte jemand das Hochdruck- und Hochtemperaturverfahren wählen?

A: Weil es eine sehr genaue Simulation der natürlichen Methoden ist und Diamanten erzeugt, die einzigartig geformt sind.

F: Wie gewährleistet das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung die Qualität der Diamanten?

A: Es baut die Diamanten Atom für Atom unter strenger Kontrolle auf, um ein gleichmäßiges Wachstum zu gewährleisten.