TW434045B - Crystal growth - Google Patents

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' 4 3 4 0 4 5 Α7 Β7 經濟部中央標率局貝工消費合作社印製 五、發明説明（l ) 發明背景 本發明係關於於高溫及高壓條件下鑽石之成長。 於高溫及高壓合成晶體特別錢石已經成為眾所周知的 技術。採用兩種方法兩種皆利用溶液，亦即溫度.梯度法及 同素異形性改變法》溫度梯__度法中，晶髏成長之推動力為 來源材料於成長中的晶體由於二者之溫度差造成溶解度差 出現超飽和現象。同素異形性改變法中，晶體成長之推動 力為由於來源材料與成長中之晶體間同素異形性（或多形 性）差異造成二者溶解度差異導致超飽和。 發明概述 根據本發明一種成長鑽石晶體之方法包括下列步称: 提供鑽石晶體來源，提供複數由铁声晶艘界定的成長中心 ，來源晶體量通常大於成長中心量，經由使來源與成長中 心接觸溶劑/催化劑而生產反應質塊，使反、應質塊接受適 合晶體成長之升高溫度及壓力條件，所需碳於溶劑/催化 劑之超飽和至少部分其較佳大部分係經由選擇來源晶體與 成長中心之顆粒大小差異達成，及由反應質塊回收錢石晶 體。 本發明許可使用至少部分經由來澉.晶I與成長中心之 顆粒大小差異形成的超飽和成長鑽石晶體》來源晶體及成 長中心可由位於顆粒大小範圍之相反兩端之顆粒提供β如 此於此種情況下，成長中心係由位於顆粒大小範圍較高端 的晶體提供，而來源晶體係由位於顆粒大小範圍較低端提 供β於該範圍較低端之晶體量亦即晶體數目通常遠大於於 (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) ^. *1Τ 縳 本紙張尺度適用中國國家榇率{ CNS } Α4規格{ 210X297公* ) 經濟部中央摞準局員工消費合作社印製 43404 5 A7 _B7_ 五、發明説明（2 ) 該範圍較高端之晶體量。 來源晶體小於成長中心°來源晶體大小將隨成長中心 大小而定。發現若來源晶體大小小於20微米及通常小於15 微米可獲得特佳鑽石成長。 成長中心也可由與來源晶體分開獨立的晶種晶體提供 。此種晶種晶體通常大體大於來源晶體》本發明之此種形 式範例將使用粒徑小於10微米之顆粒作為來源晶體顆粒及 大體大於10微米之晶種晶體作為成長中心。晶種晶體例如 大於40微米。來源晶體量再度概略大於晶種晶趙量。 發現本發明方法可生產錢石晶艘質塊，其中40%典型 至少80%及通常大饉整個質塊係由合成孿晶鑽石組成。孿 晶鑽石包含接觸孿晶’短空孿晶包括多個及單一短空學晶 ，聚合合成孿晶及星形孿晶。可生產各種形狀之擎晶鐵石 包括塊狀或立方形，板形及柱形。至於板形及柱形錢石， 晶體具有高縱橫比，亦即高最長尺寸對最短尺寸比。此·種 性質之孿晶鑽石質塊相信為新穎且構成本發明之另一態樣 〇 圖式之簡單說明 第1至10囷之圖片顯示藉本發明方法生產之孿晶錢石 晶體範例。 具體例之說明 成長中心晶艘可由鑽石晶體本身提供。其也可由錢石 以外之顆粒如碳化矽或包含鑽石以外之材料芯具有鑽石鍍 層或塗層之顆粒提供》 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公麓） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

434045 A7 B7 經濟部中央標準局另工消費合作社印繁 五、發明説明（3 ) 鑽石溶劑/催化劑範例包括過渡金屬及如鐵、鈷、鎳 、猛及含任一種金屬之合金，不鏽鋼類，超合金類（例如 以鈷、鎳及鐵為主）’青銅及黃銅類如鎳/銅，鎳/鉻/磷及 錄/把》其它適合鑽石合成用溶劑/催化劑為不含過渡金屬 之元素、化合物及合金例如銅，鋼/鋁及磷；及非金屬材 料或其混合物如鹼金屬，鹼土金屬氩氧化物，碳酸鹽及磷 酸鹽。 來源顆粒可為藉習知高壓/高溫方法生產的合成鑽石 包括多晶鑽石《•來源顆粒亦可為天然鑽（包括黑鑽），震波 錢或CVD錢亦即藉化學蒸氣沉積生產的錢石。.成長中心 鑽石可為類似或不同類型，但經常大小比來源鑽石更大。 晶種晶體可有發展良好的小晶面且不含孿晶平面例如 立方晶系，八面體及立方體-八面體或可含有孿晶平面β 晶種晶體可為不規則形、圓形或類球形β晶種晶體例如可 以溶劑/催化劑塗布或鍍層。 . 可用於該方法之升高溫度及壓力條件為業界已知。合 成條件可為鑽石具有熱力學穩定之條件。此種條件為業界 眾所周知。通常升高溫度為1200至1 $〇〇之範園及升高壓 力為50至70千巴（5至7 GPa)之範圍》升高墀度及壓力條件 可維持足夠發生晶體成長時間。該時間通常大於〗5分鐘而 可長達1小時或以上。 也可能於鑽石之熱力學穩定區丛_外的條件下產生鑽石 成長。若奧時佛（Ostwald)法則主宰成長過程而非奥時佛_ 佛姆（V〇lmer)法則，則可使用鑽石熱力學穩定區以外的溫 本紙張尺度適用中國國家梯半（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) --¾ ϊ. 丁 t 434045 A7 經濟部中央梂準局貝工消贽合作社印褽 B7 五、發明説明（4 ) · 度及壓力條件（參考Bohr，R Haubnei^B~Lux鐵石與相關材 料第4期，714-719頁，1995年)-〔根據奥時佛法則，若能 量以若干能態由系統測出，系統不會直接達到穩定基底態 ，反而漸進通過全部中間態。此外根據奥時佛·佛姆法則 ，首先形成（凝核）密度較低相。當兩種法則顯然彼此衝突 時，奥時佛·佛姆法則比奥時佛法則之優先順位高。」於 鑽石晶體之熱力學穩定區以外成長之例，奥時佛-佛姆法 則例如可由施加壓力抑制，因此許可於原有鑽石顆粒上成 長鑽石’假設大體不存在有石墨晶體。雖然恆溫及恆壓條 件並非實施本發明所必需，但以此等條件為佳，原因為製 程更容易控制。 來源晶體及成長中心晶體與適當溶劑/催化劑接觸而 形成反應質塊。通常晶體將混合顆粒形溶劑/催化劑。必 須有足量來源晶體俾於溶劑/催化劑產生碳超餘和。來源 晶體於溶劑/催化劑之落液可為固態或液態落液。來源鐵 石及成長中心鑽石於反應質塊之含量通常至少10%容積比 一般低於80%容積比。典型含量為30%容積比。 反應質塊可置於習知高溫/高壓中之反應區段然後内 容物接受達成晶體成長所需之升高溫度及壓力條件。來源 晶體比較顆粒較大的成長中心晶體更容易溶解於溶劑/催 化劑。碳溶質遷移至成長中心並沉澱於成長中心上成長。 生成之晶體具有與所用之飽和·時間曲線圖相關的形態及 孿晶性質。溫度及壓力條件及溶劑/催化劑之化學組成也 影響形態》 本紙張尺度適用中國國家標準{ CNS > A4说格（21 ο X 297公釐） J-含 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局負工消費合作社印掣 Α7 Β7 五、發明説明（5) 結晶及晶體結構改質劑例如氮，硼或磷可引進反應質 塊而達成特定目的。 由反應質塊回收鑽石晶體可藉業界眾所周知之方法進 行’例如使用強無機酸溶解溶劑/催化劑進行。 如前述’本發明方法可獲得鑽石晶體質塊，其中至少 80%通常大體全部質塊係由孿晶鑽石組成。此乃與使用之 成長中心鑽石形狀無關。孿晶鑽石晶體質塊可用於多種用 途例如鋸，碾碎，拋光，鑽孔，單孔旋轉，研磨，拉線以 及作為磨耗表面。 當孿晶鑽石晶體具有高縱橫比例如板形鑽石及柱形鑽 石時，可使晶體相對於工具幾何定向而獲得更佳換向。例 如板可定位成長軸於工具運動方向，柱形顆粒可定向於圓 据輪葉。存在有孿晶平面可使顆粒特性改變β 藉本發明方法生產的孿晶鑽石晶體範例示例說明於照 片1至10。第1至7圓為掃描電子顯微相片及第8至1〇圖為光 學相片以30至150倍放大拍攝。 第1圖产片顯示星形孿晶’多晶合成孿晶及合成短空 孿晶範例。 第2, 3，4及6圖為星形孿晶鑽石晶體由不同角度拍攝 之相片。星形孿晶為包括非平行{11”攣晶平面之環狀孿 晶形式《若干{111}孿晶平面標示於第2，3及6囷。 第5圖示例說明沿{1丨平面之立方晶體接觸孿晶β相 片頂角為立方體-二緣會合於該點彼此垂直。標示丨^”孿 晶平面。 本紙張尺度適用中國國家標準< CNS ) Α4現格（2ί〇χ297公釐了 (請先閱15^面之注意事項再填寫本頁) % 絲 43404 5 經濟部中央標隼局員工消费合作社印笨 A7 B7 五、發明説明（6 ) 第7圖顯示三個交互成長孿晶聚集體。兩種晶體（一種 幾乎為垂直而最大者幾乎為水平）顯示多晶合成孿晶，包 括一系列平行組成平面。取向朝向檢視者之晶體顯示星形 孿晶。由末端檢視，晶體類似五角星形。 第8及9圖為由不同角度所見合成短空孿晶板相片。可 見具有高縱橫比。 第10圖為細長星形孿晶鑽石晶體相片。再度可見高縱 橫比。 本發明將藉下列實例舉例說明。 實例1 前述反應囊體用於生產複數鑽石晶體》混合物係由下 列成分製成：(a)0.01克鑽石晶種顆粒，大小約75微米，係 由軋碎較粗大的合成材料生產，（b)50克來源鑽石粉末， 大小小於0.5微米係由軋碎粗合成材料生產，及（c)285克鈷 鐵（65Co，35Fe)溶劑/催化劑。混合物置於反應囊體内並 將條件升高至約55千巴及約138(TC。此等條件維持21小時 。所得晶體主要為孿晶。使用習知回收技術回收之晶體總 質量為31克，其中75%大於70號美國篩目（210微米）。 實例2 再度使用前述反應囊體生產複數鑽石晶體。混合物之 組成為：(a)50克鑽石粉，最大尺寸8微米及50%質量比小於 1微米係由軋碎粗合成材料製成，及284.6克鈷鐵（650〇 ，35Fe)溶剤/催化劑。混合物未含晶種。混合物置於反應 囊體内及將條件升高至約55千巴及約1370。〇條件維持210 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱读背面之注意ί項再填寫本I) ___：----------^---/ 裝--------訂 ------線 1.1-----!----- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 434045 A7 B7五、發明説明（7 ) 分鐘時間。長成晶體主要為孿晶，大小為80號美國篩目（177 微米）至40號美國篩目（420微米）之範圍》 於實例1及2使用鈷鐵溶劑/催化劑。孿晶鑽石晶體係 使用銅催化劑/溶劑生產。此等實例及使用之條件陳述於 下表。實例3至17中，鑽石來源及晶種為合成鑽。 實例 溶劑/催化劑 «力 (千£) 溫度 CC) 時間 (分鐘） 來*大小 範Μ(微米） 晶種大小 (微米） 站果 (大小黴米） 3 100%C〇 53.0 1400 660 (WJ.5 無 150^160 4 100%Ni 54.3 1410 660 (M).S 無 200-1000 5 6SC〇.35Pe 53.0 1370 1020 ΟΌ.5 65-75 150-300 6 70Fe,30Ni 53-ΰ 1430 600 6-12 無 10-20 7 7〇Fe-3〇Ni 1250 60 00,5 無 50-150 8 52Mn.48Ni 54.2 1410 660 0-0.5 49-65 80-200 9 56Cu.30Co.14Sn J4.2 1410 660 0-0,5 49-65 娜700 10 60Co.32Cu.8Sa 54.2 1410 660 0-0.5 49-65 200-700 U 4〇Cu.26Mn,24NU〇Sn 542 1410 660 (ΜΪ.5 4M5 150-350 12 68Cu.l7Sn.l^C〇 54.2 1410 660 0-0.5 4^65 up to 60 13 1Q0A Cu 34.1 1420 660 0-0.5 無 up to 30 14 89NU1P 54.2 1230 660 0-0.5 無 50-250 15 T7Ni.l3Cr,lOP 54.2 1410 660 0-0,5 無 100-750 16 80Cu.20Sn JJ.O 1460 660 0-0.5 無 up to 30* 17 60Cu.40Sn 55.0 1460 660 0-0.5 無 up to 30 將藉實例18至25進一步示例說明本發明，其申來源顆 粒及成長中心鑽石顆粒構成顆粒大小範圍之兩端。生產孿 晶鑽石晶體。實例使用之條件陳述如後。此等實例中及實 例26至32使用鐵鎳或鈷鐵催化劑/溶劑。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） --------f I *- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -10- 434045 A7 B7 五、發明説明（8 ) 實例 大小範圍 (微米） 鑽石類別 壓力 (千巴） 溫度 (°C) 時間 (分鐘） 結果大小 (微米） 18 0-0.5 合成 54.2 1220 60 50-150 19 0.5-1.0 合成 54.2 1220 60 至多30 20 1.0-2.0 合成 54.5 1330 600 20-60 21 3-6 合成 54.5 1330 600 10-20 22 6-12 合成 55.0 1430 600 10-20 23 8-16 合成 56.0 1460 600 200-400 24 0-0.4 震波 54.5 1380 660 至多80 25 0-0.5 天然 54.2 1350 180 200-400 ^--------r^— (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 實例26至32示例說明使用不同類別及尺寸之來源及晶 種晶體生產孿晶鑽石晶體。使用條件及所得結果陳述如後 實例 來源大小 (微米） 晶種大小 (微米） 晶種類別 晶種形狀 溫度 ΓΟ 壓力 (千巴） 時間 (分鐘) 結果大小 (微米） 26 0-0.5 65-75 合成鑽 角形且不規則 1370 53.0 1020 150-300 . 27 0-0,5 149-177 天然鑽 角形且不規則 1370 53.0 660 250-1000 28 0-0.5 297-420 天然鑽 圓形 1370 53.0 60 300-1200 29 1,5-3.0 62-74 合成鑽 小晶面立方八面體1410 54.5 660 200-600 30 0-0.5 15-30 合成鑽 小晶面八面想 1400 55.0 600 150-1000 31 0-0.5 177-250 合成鏆 孿晶 1400 55.0 600 500-1000 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS > A4規格（210X297公漦） -11 -

Claims (1)

1. α4 5 奉 Α8 Β8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第87108878號專利申請案申請專利範圍修正本 修正曰期：89年09月 1. 一種成長鑽石晶體之方法，其包含下列步驟：提供鑽石 晶體來源，提供複數鑽石晶體界定的成長中心，藉由 將來源及成長中心晶艘與一呈粒狀形式的溶劑/催化劑 予以混合而生成反應質塊*使反應質塊接受適合晶想 成長的升高溫度及廑力條件，至少部分經由選擇來源 晶鍾與成長中心之顆粒大小差而達成所需碳於溶劑/催 化劑之超你和’及由反應質塊回收鑽石晶體。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中所需碳於溶劑/催 化劑之超飽和主要係經由選擇來源晶體與成長中心間 之顆粒大小差異達成。 3，如申請專利範圍第丨項之方法，其中該來源晶饉及成 長中心係由位於顆粒大小範圍兩端的顆粒提供。 4·如申請專利範圍第丨項之方法，其中該成長中心係由 晶種晶艘提供。 5. 如申請專利範圍第丨項之方法，其中該來源晶體之存 在量係大於成長中心晶體數量p 6. 如申請專利範团第丨項之方法，其中該來源晶體之大 小小於20微米。 7. 如申請專利範圍第〗項之方法，其中該溶劑/催化劑包 括一種過渡金屬》 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該過渡金屬係選 自鐵、鈷、鎳、鏟及含前述任一種金屬之合金。 IT 丨~^ t 訂.· Λ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 「43404 5 si C8 _______D8 六、申請專利- 9·如申請專利範面第！項之方法’其中該升高溫度及壓 力條件為鑽石呈熱力學穩定之條件。 IT I-, II (#先Μ讀背面之注意事項再填本頁) ίο.如申請專利範团第9項之方法，其中該升高溫度係於 1200至i500*t之範圍及升高壓力係於5〇至7〇千巴（5 至7 GPa)之範圍。 Π.如申請專利範圍第1項之方法，其中該升高溫度及壓 力條件維持歷至少15分鐘時間· 12. 如申請專利範圍第丨項之方法，其中該來源及成長中 心錢石舆反應質塊之含量至少為10%容積比。 訂 13. 如申請專利範圍第〗項之方法，其中該來源及成長中 心錢石與反應質塊之含量低於80%容積比。 14. 一種鑽石晶體質塊，其中至少4〇0/。係由合成孿晶錢石 組成。 15·如申請專利範圍第14項之鑽石晶體質塊，其中大體整 個質塊係由攣晶鑽石组成β 16_如申請專利範圍第ι4項之鑽石晶艏質塊，其中該孿晶 經濟部智慧財產局員工消脅合作社印製 錢石包括接觸攣晶，短空孿晶，多晶合成孿晶及星形 孿晶。 17·如申請專利範圍第14項之鑽石晶赅質塊，其中該孿晶 鑽石包括塊狀或立方形，板形及枉形鑽石。 本紙張適用中而家揉率（CNS) Α4狀（)