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合成ダイヤモンドまたはラボラトリーグロウン ダイヤモンド( LGD ) は、ラボ グロウン ダイヤモンド、[1] ラボラトリー クリエイト、マン メイド、職人技で作られた、アーティフィシャル、シンセティック、またはカルチャード ダイヤモンドとも呼ばれ、制御された技術的プロセスで生産されるダイヤモンドです(地質学的プロセスによって生成され、採掘によって得られる天然のダイヤモンドとは対照的です)。ダイヤモンド類似品(表面上は類似した非ダイヤモンド材料で作られたダイヤモンドの模造品) とは異なり、合成ダイヤモンドは天然ダイヤモンドと同じ材料 (等方性の3D 形式で結晶化した純粋な炭素) で構成されており、同一の化学的および物理的特性を共有しています。2023 年現在、これまでに作られた中で最も重い合成ダイヤモンドの重量は 30.18カラット(6.0 g ) で、[2]これまでに発見された中で最も重い天然ダイヤモンドの重量は 3167 カラット (633.4 g) です。 [アップデート]
1797年に英国の化学者スミスソン・テナントがダイヤモンドが炭素の一種であることを実証した後、1879年から1928年の間にダイヤモンドの合成に関する多数の主張が報告されました。 [3]これらの試みのほとんどは慎重に分析されましたが、確認されたものはありません。1940年代には、米国、スウェーデン、ソビエト連邦でダイヤモンド生成の体系的な研究が始まり、1953年に最初の再現可能な合成に至りました。さらなる研究活動により、高圧高温ダイヤモンド（HPHT）とCVDダイヤモンドが発見されました。これらは、製造方法（それぞれ高圧高温と化学気相成長）にちなんで名付けられました。これら2つのプロセスは、現在でも合成ダイヤモンド製造の主流です。炭素を含む爆薬の爆発でナノメートルサイズのダイヤモンド粒子を作成する、デトネーション合成と呼ばれる3番目の方法は、1990年代後半に市場に登場しました。 4番目の方法は、高出力超音波でグラファイトを処理するというもので、実験室では実証されているが、2008年時点では商業的に応用されていない。
合成ダイヤモンドの特性は製造プロセスによって異なります。一部のダイヤモンドは、硬度、熱伝導性、電子移動度などの特性が、ほとんどの天然ダイヤモンドよりも優れています。合成ダイヤモンドは、研磨剤、切削工具、研磨工具、ヒートシンクに広く使用されています。合成ダイヤモンドの電子用途は、発電所の高出力スイッチ、高周波電界効果トランジスタ、発光ダイオードなど、開発されています。紫外線（UV）光または高エネルギー粒子の合成ダイヤモンド検出器は、高エネルギー研究施設で使用されており、市販されています。熱的および化学的安定性、低熱膨張、広いスペクトル範囲での高い光学的透明性のユニークな組み合わせにより、合成ダイヤモンドは、高出力CO
2レーザーとジャイロトロン。工業用ダイヤモンド需要の98％は合成ダイヤモンドで供給されていると推定されています。[4]
CVD ダイヤモンドと HPHT ダイヤモンドはどちらも宝石にカットすることができ、透明な白、黄色、茶色、青、緑、オレンジなど、さまざまな色を作り出すことができます。合成宝石が市場に登場したことで、ダイヤモンド取引業界では大きな懸念が生じ、その結果、合成ダイヤモンドと天然ダイヤモンドを区別するための特別な分光装置と技術が開発されました。
歴史
ダイヤモンド合成の初期段階では、近代化学の創始者であるアントワーヌ・ラボアジエが重要な役割を果たした。ダイヤモンドの結晶格子が炭素の結晶構造に似ているという彼の画期的な発見は、ダイヤモンド製造の最初の試みへの道を開いた。[5] 1797年にダイヤモンドが純粋な炭素であることが発見された後、[6] [7]様々な安価な形態の炭素をダイヤモンドに変換する多くの試みがなされた。[8] [a]最も初期の成功は、1879年にジェームズ・バランタイン・ハネイ[13]と1893年にフェルディナン・フレデリック・アンリ・モアッサンによって報告された。彼らの方法は、炉の中で炭素るつぼの中で木炭を鉄と一緒に最高3,500 °C (6,330 °F)で加熱するというものであった。ハネイが炎で加熱した管を使用したのに対し、モアッサンは新たに開発した電気アーク炉を使用し、石灰ブロック内の炭素棒の間に電気アークを発生させた。[14]次に、溶けた鉄を水に浸して急速に冷却した。冷却によって生じた収縮により、グラファイトをダイヤモンドに変えるために必要な高圧が生成されたと考えられている。モアッサンは1890年代に一連の論文でこの研究を発表した。[8] [15]
他の多くの科学者が彼の実験を再現しようとした。ウィリアム・クルックス卿は1909年に成功したと主張した。 [16] オットー・ラフは1917年に直径7mm（0.28インチ）までのダイヤモンドを製造したと主張したが[17]、後にその発言を撤回した。[18] 1926年、マクファーソン大学のJ・ウィラード・ハーシー博士はモアッサンとラフの実験を再現し[19] [20]、合成ダイヤモンドを製造した。[21]モアッサン、ラフ、ハーシーの主張にもかかわらず、他の実験者は彼らの合成を再現することができなかった。[22] [23]
最も決定的な再現の試みは、サー・チャールズ・アルジャーノン・パーソンズによって行われた。蒸気タービンの発明で知られる著名な科学者で技術者である彼は、約40年間（1882～1922年）と財産のかなりの部分を費やして、モアッサンとハネイの実験を再現しようとしたが、独自のプロセスも取り入れた。[24]パーソンズは、綿密で正確なアプローチと系統的な記録管理で知られ、得られたサンプルはすべて、独立した団体によるさらなる分析のために保存された。[25]彼は、HPHTダイヤモンドに関する最も初期のものを含むいくつかの論文を執筆し、その中で小さなダイヤモンドを製造したと主張した。[26]しかし、1928年に、彼はCHデッシュ博士に論文を発表する許可を与えた[27]。その中で彼は、その日までに合成ダイヤモンド（モアッサンや他のダイヤモンドを含む）は製造されていないという自身の考えを述べた。彼は、その時点までに製造されたダイヤモンドのほとんどは合成スピネルである可能性が高いと示唆した。[22]
アセア
ダイヤモンドの合成が初めて知られた（ただし当初は報告されていなかった）のは、1953年2月16日、スウェーデンの大手電気機器製造会社ASEA （Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget）によってストックホルムで達成されたことだ。ASEAは1942年から、コードネームQUINTUSという極秘のダイヤモンド製造プロジェクトの一環として、5人の科学者とエンジニアのチームを雇用した。チームはバルツァール・フォン・プラテンとアンダース・カンペが設計したかさばる分割球装置を使用した。[28] [29]装置内の圧力は推定8.4GPa（1,220,000psi）、温度は2,400°C（4,350°F）に1時間維持された。小さなダイヤモンドがいくつか生成されたが、宝石品質やサイズではなかった。
特許取得プロセスに関する疑問と、他に真剣なダイヤモンド合成研究が世界的に行われていないという合理的な考えから、ASEAの理事会は宣伝と特許申請を行わないことを選択した。そのため、ASEAの結果は1955年2月15日のGE記者会見の直後に発表された。[30]
GEダイヤモンドプロジェクト
1941年、ゼネラル・エレクトリック（GE）、ノートン、カーボランダム各社の間でダイヤモンド合成のさらなる開発に関する協定が結ばれた。彼らは、数秒間3.5ギガパスカル（510,000psi）の圧力下で炭素を約3,000℃（5,430℉）まで加熱することに成功した。その後まもなく、第二次世界大戦によりプロジェクトは中断された。プロジェクトは1951年にGEのスケネクタディ研究所で再開され、フランシス・P・バンディとHM・ストロングとともに高圧ダイヤモンドグループが結成された。後にトレイシー・ホールらがプロジェクトに加わった。[28]
スケネクタディグループは、1946年にノーベル物理学賞を受賞したパーシー・ブリッジマンが設計したアンビルを改良した。バンディとストロングが最初に改良を行い、その後ホールがさらに改良を加えた。GEチームは、油圧プレス内でタングステンカーバイドのアンビルを使用し、カトリナイト容器に入れられた炭素質サンプルを圧縮し、完成した砂を容器からガスケットに押し出した。チームは一度ダイヤモンドの合成を記録したが、合成条件が不確かだったため実験を再現することはできず、[31]後にダイヤモンドは種として使用された天然ダイヤモンドであったことが判明した。[32]
ホールは1954年12月16日にダイヤモンドの合成を初めて商業的に成功させ、1955年2月15日に発表した。彼の画期的な発見は、サンプルの周りに巻き付けられた硬化鋼の環状「ベルト」を弾性限界まで張ったプレス機を使用し、10GPa（1,500,000psi）を超える圧力と2,000°C（3,630°F）を超える温度を生み出したときに起こった。[33]プレス機は、溶融ニッケル、コバルト、または鉄にグラファイトを溶解したパイロフィライト容器を使用した。これらの金属は「溶媒触媒」として機能し、炭素を溶解してダイヤモンドへの変換を促進した。彼が製造した最大のダイヤモンドは直径0.15mm（0.0059インチ）で、宝飾品としては小さすぎて見た目も不完全だったが、工業用研磨材としては使用可能であった。ホールの同僚たちは彼の研究を再現することができ、その発見は主要な学術誌ネイチャーに掲載された。[34] [35]ホールは、再現可能で検証可能で十分に文書化されたプロセスで合成ダイヤモンドを生成した最初の人物であった。彼は1955年にGEを去り、3年後にはGEの特許出願に関する米国商務省の秘密保持命令に違反しないように、ダイヤモンド合成用の新しい装置（4つのアンビルを備えた四面体プレス）を開発した。[32] [36]
さらなる発展
宝石品質の合成ダイヤモンド結晶は、1970年にGE社によって初めて製造され、1971年に報告された。最初の成功は、両端にダイヤモンドの薄片を播種したパイロフィライト管を使用した。グラファイトの供給材料は中央に配置され、金属溶媒（ニッケル）はグラファイトと種子の間に置かれた。容器は加熱され、圧力は約5.5GPa（800,000psi）に上昇した。結晶は中央から管の端に流れながら成長し、プロセスの長さが長くなるにつれてより大きな結晶が生成される。当初は、1週間に及ぶ成長プロセスで約5mm（0.20インチ）（1カラットまたは0.2g）の宝石品質の石が生産され、プロセス条件は可能な限り安定している必要があった。グラファイトの供給はすぐにダイヤモンドグリットに置き換えられた。これは、最終的な結晶の形状をより適切に制御できるためである。[35] [37]
最初の宝石品質の石は、窒素の混入により、常に黄色から茶色でした。内包物は一般的で、特にニッケルからの「板状」の内包物は顕著でした。アルミニウムまたはチタンを追加してプロセスから窒素をすべて除去すると、無色の「白い」石が生成され、窒素を除去してホウ素を追加すると青い石が生成されました。[ 38]窒素を除去すると成長プロセスも遅くなり、結晶の品質が低下するため、通常は窒素が存在する状態でプロセスが実行されました。
GE 石と天然ダイヤモンドは化学的には同一であったが、物理的特性は同じではなかった。無色の石は短波長の紫外線下では強い蛍光と燐光を発したが、長波長の紫外線下では不活性であった。天然ダイヤモンドの中では、より希少な青色の宝石のみがこれらの特性を示す。天然ダイヤモンドとは異なり、GE 石はすべてX 線下で強い黄色の蛍光を示した。[39]デビアスダイヤモンド研究所は、研究目的で最大 25 カラット (5.0 g) の石を育成した。このサイズの高品質ダイヤモンドを育成するために、安定した HPHT 条件が 6 週間維持された。経済的な理由から、ほとんどの合成ダイヤモンドは、質量が 1 カラット (200 mg) から 1.5 カラット (300 mg) に達すると育成が中止される。[40]
1950年代、ソ連と米国で、比較的低温の800℃（1,470℉）で炭化水素ガスを熱分解してダイヤモンドを成長させる研究が始まりました。この低圧プロセスは化学気相成長法（CVD）として知られています。ウィリアム・G・エバーソールは1953年にダイヤモンド基板上へのダイヤモンドの気相成長を達成したと報告されていますが、1962年まで報告されませんでした。[41] [42]ダイヤモンド膜の堆積は、1968年にアンガスと同僚によって、 [43] 1970年にデリャーギンとフェドセーエフによって独立して再現されました。 [44] [45]エバーソールとアンガスは基板として大きくて高価な単結晶ダイヤモンドを使用しましたが、デリャーギンとフェドセーエフは非ダイヤモンド材料（シリコンと金属）上にダイヤモンド膜を作ることに成功し、1980年代には安価なダイヤモンドコーティングに関する大規模な研究につながりました。[46]
2013年から、未公開の合成メレダイヤモンド（中央のダイヤモンドを囲んだり、指輪を飾ったりするのに通常使用される小さな丸いダイヤモンド）[47]が、ジュエリーセットや業界で販売されているダイヤモンド小包の中に見つかるケースが増えているという報告が出てきました。[48]ダイヤモンドメレのコストが比較的低く、大量のメレを効率的に識別するための一般的な知識が比較的不足しているため、[49]すべてのディーラーがダイヤモンドメレをテストして天然か合成かを正しく識別する努力をしているわけではありません。しかし、国際的な研究所が今やこの問題に正面から取り組み始めており、合成メレの識別が大幅に改善されています。[50]
製造技術
合成ダイヤモンドの製造にはいくつかの方法がある。元々の方法は高圧高温（HPHT）法で、比較的低コストであるため今でも広く使われている。このプロセスでは、数百トンの重さがある大型プレス機を使用して、1,500 °C（2,730 °F）で5 GPa（730,000 psi）の圧力を発生させる。2つ目の方法は化学蒸着（CVD）法で、基板上に炭素プラズマを生成し、その上に炭素原子を堆積させてダイヤモンドを形成する。その他の方法には、爆発形成（デトネーションナノダイヤモンドの形成）やグラファイト溶液の超音波処理などがある。 [51] [52] [53]
高圧、高温
HPHT法では、合成ダイヤモンドの製造に必要な圧力と温度を供給するために、ベルトプレス、キュービックプレス、スプリットスフィア（BARS）プレスの3つの主なプレス設計が使用されます。ダイヤモンドの種はプレスの底に配置されます。プレスの内部は1,400°C（2,550°F）以上に加熱され、溶媒金属を溶かします。溶融金属は高純度の炭素源を溶解し、それが小さなダイヤモンドの種に運ばれて沈殿し、大きな合成ダイヤモンドを形成します。[54]
トレイシー・ホールによるGEのオリジナルの発明では、ベルトプレスが使用され、上部と下部のアンビルが円筒形の内部セルに圧力負荷をかけます。この内部圧力は、プレストレストスチールバンドのベルトによって放射状に閉じ込められます。アンビルは、圧縮されたセルに電流を供給する電極としても機能します。ベルトプレスのバリエーションでは、内部圧力を閉じ込めるために、スチールベルトではなく油圧を使用します。 [54]ベルトプレスは現在でも使用されていますが、元の設計のものよりもはるかに大規模に製造されています。[55]
2 つ目のタイプのプレス設計は、キュービック プレスです。キュービック プレスには 6 つのアンビルがあり、立方体形状の体積のすべての面に同時に圧力をかけます。[56]最初のマルチ アンビル プレス設計は、4 つのアンビルを使用して四面体形状の体積に収束する四面体プレスでした。[57]キュービック プレスは、圧力を加えることができる体積を増やすために、その後まもなく作成されました。キュービック プレスは通常、ベルト プレスよりも小さく、合成ダイヤモンドを作成するために必要な圧力と温度をより迅速に達成できます。ただし、キュービック プレスをより大きな体積にスケールアップすることは容易ではありません。より大きなアンビルを使用することで加圧体積を増やすことができますが、これにより、同じ圧力を達成するためにアンビルに必要な力も増加します。別の方法としては、より多くのアンビルを使用して正十二面体などの高次のプラトン立体に収束することにより、加圧体積の表面積と体積の比を減らすことです。ただし、このようなプレスは複雑で製造が困難です。[56]
BARS装置は、ダイヤモンド製造プレスの中で最もコンパクトで、効率的で、経済的であるとされています。BARS 装置の中央には、約 2 cm 3 (0.12 cu in) の大きさの円筒形のセラミック「合成カプセル」があります。セルは、パイロフィライト セラミックなどの圧力伝達材料の立方体に配置され、焼結炭化物(例: タングステン カーバイドまたは VK10 硬質合金) で作られた内側のアンビルによってプレスされます。[58]外側の八面体キャビティは、8 つの鋼鉄製の外側アンビルによってプレスされます。取り付け後、アセンブリ全体が直径約 1 m (3 ft 3 in) のディスク型バレルにロックされます。バレルにはオイルが充填されており、加熱すると圧力がかかり、オイルの圧力が中央のセルに伝達されます。合成カプセルは同軸グラファイト ヒーターによって加熱され、温度は熱電対で測定されます。[59]
化学蒸着
化学気相成長法は、炭化水素ガス混合物からダイヤモンドを成長させる方法です。1980 年代初頭から、この方法は世界中で集中的に研究されてきました。高品質のダイヤモンド結晶を大量生産できるため、工業用途では HPHT 法のほうが適していますが、CVD セットアップの柔軟性とシンプルさから、実験室研究で CVD 法が人気を博しています。CVD 法によるダイヤモンド成長の利点には、広い面積やさまざまな基板上にダイヤモンドを成長させることができること、化学不純物を細かく制御できること、そして生成されるダイヤモンドの特性を制御できることなどがあります。HPHT 法とは異なり、CVD 法では高圧は不要で、成長は通常 27 kPa (3.9 psi) 未満の圧力で行われます。[51] [60]
CVD 成長には、基板の準備、チャンバーへのさまざまな量のガスの供給、およびそれらへの通電が含まれます。基板の準備には、適切な材料とその結晶方位の選択、多くの場合はダイヤモンド粉末を使用して非ダイヤモンド基板を研磨する基板の洗浄、一連のテスト実行による成長中の基板温度 (約 800 °C (1,470 °F)) の最適化が含まれます。さらに、均一で高品質のダイヤモンド成長を確保するには、ガス混合物の組成と流量を最適化することが最も重要です。ガスには常に炭素源 (通常はメタン) と水素が含まれ、一般的な比率は 1:99 です。水素は、非ダイヤモンド炭素を選択的にエッチングするため不可欠です。ガスは、成長チャンバー内でマイクロ波電力、ホットフィラメント、アーク放電、溶接トーチ、レーザー、電子ビーム、またはその他の手段を使用して、化学的に活性なラジカルにイオン化されます。
成長中、チャンバー材料はプラズマによってエッチングされ、成長中のダイヤモンドに取り込まれる可能性があります。特に、CVDダイヤモンドは、成長チャンバーのシリカウィンドウまたはシリコン基板に由来するシリコンによって汚染されることがよくあります。 [61]そのため、シリカウィンドウは回避されるか、基板から遠ざけられます。チャンバー内のホウ素含有種は、非常に低い痕跡レベルであっても、純粋なダイヤモンドの成長には適していません。[51] [60] [62]
爆発物の爆発
ダイヤモンドナノ結晶（直径 5 nm（2.0 × 10 −7 インチ））は、金属チャンバー内で特定の炭素含有爆薬を爆発させることで生成できます。これらは「デトネーションナノダイヤモンド」と呼ばれます。爆発中、チャンバー内の圧力と温度は、爆薬の炭素をダイヤモンドに変換するのに十分な高さになります。チャンバーは水中に浸されているため、爆発後に急速に冷却され、新しく生成されたダイヤモンドがより安定したグラファイトに変換されるのを抑制します。[63]この技術のバリエーションでは、グラファイト粉末を充填した金属管をデトネーションチャンバーに配置します。爆発により、グラファイトはダイヤモンドに変換するのに十分な程度まで加熱および圧縮されます。[64]生成物には常にグラファイトやその他の非ダイヤモンド炭素形態が豊富に含まれており、それらを溶解するには高温硝酸で長時間煮沸する必要があります（250 °C（482 °F）で約1日）。[52]回収されたナノダイヤモンド粉末は、主に研磨用途に使用されます。主に中国、ロシア、ベラルーシで生産されており、2000年代初頭には大量に市場に流通し始めました。[65]
超音波キャビテーション
ミクロンサイズのダイヤモンド結晶は、大気圧および室温で有機液体中のグラファイトの懸濁液から超音波キャビテーションを使用して合成できます。ダイヤモンドの収率は、最初のグラファイト重量の約10％です。この方法で生成されるダイヤモンドの推定コストはHPHT法と同等ですが、製品の結晶の完全性は超音波合成では大幅に劣ります。この技術は比較的簡単な装置と手順を必要とし、2つの研究グループによって報告されていますが、2008年時点では産業用途はありませんでした。最初のグラファイト粉末の準備、超音波出力の選択、合成時間、溶媒などの多くのプロセスパラメータが最適化されておらず、超音波合成の効率を改善し、コストを削減する潜在的な余地が残されています。[53] [66]
液体金属内部の結晶化
2024年、科学者らは、ガリウム、鉄、ニッケル、シリコンの液体金属合金（77.25/11.00/11.00/0.25の比率）にメタンと水素のガスを約1,025℃で注入し、1気圧でダイヤモンドを結晶化させる方法を発表しました。この結晶化は「シードレス」プロセスであり、従来の高圧高温法や化学蒸着法とはさらに異なります。メタンと水素を注入すると、約15分後にダイヤモンドの核が形成され、約150分後には連続したダイヤモンド膜が形成されます。[67] [68]
プロパティ
伝統的に、結晶欠陥がないことがダイヤモンドの最も重要な品質であると考えられています。純度と高い結晶の完成度により、ダイヤモンドは透明で澄んだものになりますが、硬度、光学分散（光沢）、化学的安定性（マーケティングと相まって）により、ダイヤモンドは人気のある宝石となっています。高い熱伝導性も技術的な用途では重要です。高い光学分散はすべてのダイヤモンドの本質的な特性ですが、その他の特性はダイヤモンドがどのように生成されたかによって異なります。[69]
結晶度
ダイヤモンドは、1つの連続した結晶である場合もあれば、多数の小さな結晶（多結晶）から構成される場合もあります。大きくて透明で透明な単結晶ダイヤモンドは、通常、宝石として使用されます。多結晶ダイヤモンド（PCD）は、多数の小さな粒子で構成されており、強い光の吸収と散乱により肉眼で簡単に見ることができます。宝石には適しておらず、採鉱や切削工具などの工業用途に使用されます。多結晶ダイヤモンドは、それを構成する結晶の平均サイズ（または粒径）によって説明されることがよくあります。粒径はナノメートルから数百マイクロメートルの範囲で、通常、それぞれ「ナノ結晶」ダイヤモンドと「マイクロ結晶」ダイヤモンドと呼ばれます。[70]
硬度
ダイヤモンドの硬度は鉱物硬度のモース硬度スケールで10であり、このスケールでは最も硬い物質として知られています。ダイヤモンドはまた、その耐圧性から天然物質の中で最も硬いことで知られています。[71 ] 合成ダイヤモンドの硬度は、その純度、結晶の完全性、配向によって異なります。硬度は、 [111]方向（立方ダイヤモンド格子の最長対角線に沿って）に配向した欠陥のない純粋な結晶の方が高くなります。 [72] CVDダイヤモンド成長によって生成されたナノ結晶ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンドの30%から75%の硬度を持つことができ、硬度は特定の用途に合わせて制御できます。一部の合成単結晶ダイヤモンドとHPHTナノ結晶ダイヤモンド（ハイパーダイヤモンドを参照）は、既知の天然ダイヤモンドよりも硬いです。[71] [73] [74]
不純物と含有物
すべてのダイヤモンドには、分析技術で検出可能な濃度の炭素以外の原子が含まれています。これらの原子は、インクルージョンと呼ばれるマクロな相に凝集することがあります。不純物は一般的に避けられますが、ダイヤモンドの特定の特性を制御する方法として意図的に導入されることがあります。溶媒触媒を使用した合成ダイヤモンドの成長プロセスでは、通常、遷移金属原子（ニッケル、コバルト、鉄など）を含む不純物関連の複合中心が多数形成され、材料の電子特性に影響を及ぼします。[75] [76]
例えば、純粋なダイヤモンドは電気絶縁体ですが、ホウ素が添加されたダイヤモンドは電気伝導体（場合によっては超伝導体）となり、[77]電子用途に使用することができます。窒素不純物は格子転位（結晶構造内の欠陥）の動きを妨げ、格子に圧縮応力をかけるため、硬度と靭性が向上します。[78]
熱伝導率
CVDダイヤモンドの熱伝導率は、欠陥や粒界構造に応じて数十W/m 2 Kから2000 W/m 2 K以上までの範囲です。 [79] CVD中のダイヤモンドの成長に伴い、粒子は膜厚とともに成長し、膜厚方向に沿って熱伝導率の勾配が生じます。[79]
ほとんどの電気絶縁体とは異なり、純粋なダイヤモンドは結晶内の強力な共有結合により優れた熱伝導体です。純粋なダイヤモンドの熱伝導率は、既知の固体の中で最も高いものです。12
Ｃ
（99.9％）同位体純度ダイヤモンドは、あらゆる物質の中で最も高い熱伝導率を持ち、室温で30 W/cm·Kで、銅の7.5倍です。天然ダイヤモンドの伝導率は、13
Ｃ
自然界に存在し、格子内で不均一性として作用する。[80]
ダイヤモンドの熱伝導性は、宝石商や宝石鑑定士によって利用されており、電子熱プローブを使用してダイヤモンドと模造品を区別することがある。これらのプローブは、細い銅の先端に取り付けられた電池駆動のサーミスタのペアで構成されている。1つのサーミスタは加熱装置として機能し、もう1つは銅の先端の温度を測定する。検査対象の石がダイヤモンドの場合、先端の熱エネルギーを十分な速さで伝導し、測定可能な温度低下を引き起こす。この検査には約2～3秒かかる。[81]
アプリケーション
機械加工および切削工具
合成ダイヤモンドの工業的用途のほとんどは、長い間その硬度と関連付けられてきました。この特性により、ダイヤモンドは工作機械や切削工具に最適な材料となっています。天然に存在する最も硬い物質として知られているダイヤモンドは、他のダイヤモンドを含むあらゆる材料を研磨、切断、または摩耗させるために使用できます。この能力の一般的な工業的用途には、ダイヤモンドチップのドリルビットや鋸、および研磨剤としてのダイヤモンド粉末の使用が含まれます。[82]これらは、合成ダイヤモンドの工業的用途の中では圧倒的に最大です。天然ダイヤモンドもこれらの目的に使用されますが、合成HPHTダイヤモンドの方が人気があります。これは主に、その機械的特性の再現性が高いためです。ダイヤモンドは鉄合金の高速加工には適していません。高速加工によって生じる高温では炭素が鉄に溶解するため、ダイヤモンド工具の摩耗が他の工具に比べて大幅に増加するためです。[83]
切削工具に使用されるダイヤモンドの一般的な形態は、ミクロンサイズの粒子が金属マトリックス（通常はコバルト）に分散され、工具に焼結されたものである。これは業界では多結晶ダイヤモンド（PCD）と呼ばれている。PCDチップ付き工具は、採掘や切削用途で使用されている。過去15年間、金属工具をCVDダイヤモンドでコーティングする研究が行われてきたが、その研究は有望ではあるものの、従来のPCD工具に大きく取って代わるには至っていない。[84]
熱伝導体
金属など、熱伝導率の高い材料のほとんどは電気伝導性もあります。対照的に、純粋な合成ダイヤモンドは熱伝導率が高いですが、電気伝導性はごくわずかです。この組み合わせは、ダイヤモンドが高出力レーザーダイオード、レーザーアレイ、高出力トランジスタのヒートスプレッダーとして使用される電子機器にとって非常に貴重です。効率的な熱放散により、これらの電子機器の寿命が延び、デバイスの交換コストが高いため、効率的ではあるが比較的高価なダイヤモンドヒートシンクの使用が正当化されます。[85]半導体技術では、合成ダイヤモンドヒートスプレッダーがシリコンやその他の半導体デバイスの過熱を防ぎます。[86]
光学材料
ダイヤモンドは硬く、化学的に不活性で、熱伝導率が高く、熱膨張係数が低い。これらの特性により、ダイヤモンドは赤外線やマイクロ波の透過に使用される既存のどの窓材よりも優れている。そのため、合成ダイヤモンドは、高出力CO2レーザー[87]やジャイロトロンの出力窓として、セレン化亜鉛に取って代わり始めている。これらの合成多結晶ダイヤモンド窓は、直径が大きく（ジャイロトロンの場合は約10cm）、厚さが薄い（吸収を減らすため）ディスク状に形作られており、CVD技術でのみ製造できる。[88] [89]長さが約10mmまでの単結晶スラブは、レーザーキャビティ内のヒートスプレッダー、回折光学系、ラマンレーザーの光利得媒体など、光学のいくつかの分野でますます重要になっている。[90]近年のHPHTおよびCVD合成技術の進歩により、単結晶ダイヤモンドの純度と結晶構造の完全性が向上し、シンクロトロンなどの高出力放射線源の回折格子や窓材としてシリコンを置き換えることができるようになりました。[91] [92] CVDプロセスとHPHTプロセスはどちらも、ダイヤモンドアンビルセルを使用して超高圧下で材料の電気的および磁気的特性を測定するツールとして、光学的に透明なダイヤモンドアンビルを作成するためにも使用されています。[93]
エレクトロニクス
合成ダイヤモンドは半導体としての潜在的な用途がある。[94]ホウ素やリンなどの不純物をドープできるからである。これらの元素は炭素よりも価電子が1つ多いか少ないため、合成ダイヤモンドはp型またはn型半導体になる。合成ダイヤモンドにホウ素とリンを順次ドーピングしてp-n接合を作ると、235 nmの紫外線を発する発光ダイオード（LED ）が作られる。 [95]エレクトロニクスにおける合成ダイヤモンドのもう一つの有用な特性は高いキャリア移動度で、単結晶CVDダイヤモンド中の電子では4500 cm 2 /（V·s）に達する。 [96]高い移動度は高周波動作に有利であり、ダイヤモンド製の電界効果トランジスタはすでに50 GHzを超える有望な高周波性能を実証している。[97] [98]ダイヤモンドの広いバンドギャップ（5.5 eV）は、ダイヤモンドに優れた誘電特性を与える。ダイヤモンドの高い機械的安定性と相まって、これらの特性は発電所の高出力スイッチのプロトタイプに使用されています。[99]
合成ダイヤモンドトランジスタは研究室で製造されている。シリコンデバイスよりもはるかに高い温度でも機能し、化学薬品や放射線による損傷にも耐性がある。ダイヤモンドトランジスタはまだ市販の電子機器にうまく組み込まれていないが、非常に高出力の状況や過酷な非酸化環境での使用が期待されている。[100] [101]
合成ダイヤモンドはすでに放射線検出装置として使われている。放射線に対して強く、 5.5 eV （室温で）の広いバンドギャップを持っている。ダイヤモンドはまた、安定した天然酸化物が存在しないという点で他のほとんどの半導体と区別される。このため表面MOS装置の製造は難しいが、表面層で吸収されることなく紫外線が活性半導体に届く可能性は生まれる。これらの特性のため、スタンフォード線形加速器のBaBar検出器[102]やBOLD（ VUV太陽観測用の光学的光検出器を盲目にする）などの用途に使われている。[103] [104]ダイヤモンドVUV検出器は最近、欧州LYRAプログラムで使用された。
導電性CVDダイヤモンドは、多くの状況下で有用な電極です。[105] CVDで製造された多結晶ダイヤモンド膜の表面にDNAを共有結合させる光化学的方法が開発されています。このようなDNA修飾膜は、DNAと相互作用してダイヤモンド膜の電気伝導性を変化させるさまざまな生体分子の検出に使用できます。 [106]さらに、ダイヤモンドは、通常は研究できない酸化還元反応を検出するために使用でき、場合によっては水源中の酸化還元反応性有機汚染物質を分解します。ダイヤモンドは機械的および化学的に安定しているため、従来の材料を破壊する条件下でも電極として使用できます。電極として、合成ダイヤモンドは有機廃水の廃水処理[107]や強力な酸化剤の製造に使用できます。[108]
宝石
宝石として使用される合成ダイヤモンドは、 HPHT [40]またはCVD [109]法で生成され、2013年時点で宝石品質のダイヤモンド市場の約2％を占めていました。[110]しかし、技術の進歩により、より経済的な規模でより高品質の合成ダイヤモンドをより大規模に生産できるようになると、合成ジュエリー品質のダイヤモンドの市場シェアが拡大する可能性があるという兆候があります。[111]実際、2023年までに合成ダイヤモンドのシェアはダイヤモンド市場全体の17％に増加しました。[112]合成ダイヤモンドには、黄色、ピンク、緑、オレンジ、青、そしてそれほど多くはないが無色（または白）の色があります。黄色は製造工程中の窒素不純物に由来し、青はホウ素に由来します。[38]ピンクや緑などの他の色は、放射線を使用した合成後に実現できます。[113] [114]いくつかの企業は、火葬された遺骨を使用して生成されたメモリアルダイヤモンドも提供しています。[115]
研究室で作られた宝石品質のダイヤモンドは、化学的、物理的、光学的に天然のものと全く同じです。採掘ダイヤモンド業界は、合成ダイヤモンドの出現から市場を守るために、法的、マーケティング、流通上の対策を講じてきました。[116] [117]合成ダイヤモンドは、赤外線、紫外線、またはX線波長の分光法で区別できます。デビアスのDiamondViewテスターは、紫外線蛍光を使用して、HPHTまたはCVDダイヤモンド内の窒素、ニッケル、またはその他の金属の微量不純物を検出します。[118]
少なくとも1社のラボラトリーグロウンダイヤモンド製造業者は、自社のダイヤモンドの性質を「開示することに尽力している」と公表し、すべての宝石にレーザー刻印されたシリアル番号を付与している。 [109]同社のウェブサイトには、レーザー刻印の文字例が掲載されており、そこには「 Gemesis created」という文字とシリアル番号の接頭辞「LG」（ラボラトリーグロウン）の両方が含まれている。[119]
2015年5月、HPHT無色ダイヤモンドの記録が10.02カラットに達した。このファセットカットされた宝石は、約300時間かけて成長した32.2カラットの石から切り出された。[120] 2022年までに、16～20カラットの宝石品質のダイヤモンドが生産されるようになった。[121]
伝統的なダイヤモンド採掘は、アフリカやその他のダイヤモンド採掘国で人権侵害を引き起こしてきた。2006年のハリウッド映画「ブラッド・ダイヤモンド」は、この問題を世間に知らしめるきっかけとなった。消費者は倫理的に健全で安価な石を求めており、合成ダイヤモンドに対する需要は、小規模ではあるものの、増加している。[122]
倫理的な側面とは別に、研究室で採掘されたダイヤモンドと鉱山で採掘されたダイヤモンドの生態学的比較では、3 つの重要な環境要因が中心的な役割を果たします。
- 水の使用量：1カラットの原石ダイヤモンドを採掘するには、1カラットあたり約96リットルの水が必要です。対照的に、1カラットのラボで製造されたダイヤモンドを生産するには、1カラットあたり約0〜2リットルの水しか必要ありません。[123] [124]
- 鉱物廃棄物の処分と土地の破壊：ダイヤモンドの採掘では、生産されたダイヤモンド1トンにつき最大200万トンの鉱物廃棄物が発生しますが、鉄や金などの他の金属では通常、採掘された1トンあたり10トン未満の廃棄物しか発生しません。[125] さらに、1カラットのダイヤモンドを採掘すると、約9平方メートルの土地が破壊され、非常に有毒な微量金属を含む約2600キログラムの鉱物廃棄物が発生します。 [126] [127] [128]対照的に、ラボで生成されたダイヤモンド1カラットを生産する場合、環境への影響は大幅に少なく、土地の破壊は0.0065平方メートル、鉱物廃棄物は0.5キログラムに過ぎません。[128] [124]
- エネルギー使用量と温室効果ガス（GHG）排出量：ラボで製造されたダイヤモンドに対する主な批判点の1つは、エネルギー消費です。HPHT法で製造されたラボで製造されたダイヤモンドは1カラットあたり28〜215kWhを必要としますが、CVD法では1カラットあたり77〜143kWhが必要です。[123]比較すると、採掘されたダイヤモンドは1カラットあたり96〜150kWhを消費します。これは、業界リーダーであるALROSAとDeBeersのレポートに基づくもので、両社を合わせると世界のダイヤモンド生産の50％以上を占めています。[129] [130]このように、ラボで製造されたダイヤモンドは、特定の方法と実験室の設定に応じて、採掘されたダイヤモンドよりも1カラットあたりのエネルギー使用量が少なくなることも、多くなる可能性があります。ただし、エネルギー消費だけでは環境への影響が完全に決まるわけではありません。考慮すべき重要な要素は、エネルギー源です。電力生産によるGHG排出量（1kWhあたりのCO₂換算グラム数、またはg CO₂e/kWhで測定）は、環境フットプリントを評価するために不可欠です。平均して、デビアスがダイヤモンド採掘に使用するエネルギーの約73％は、化石燃料から直接供給されています。[123]化石燃料は、200〜800 g CO₂e/kWhのCO₂排出量をもたらします。[131]残りの27％のエネルギー消費は電気に依存しています。しかし、それは化石燃料または再生可能エネルギー源から生成することができます。1トンの原石ダイヤモンドを採掘すると、約57000トンの温室効果ガスが排出されます。これは、金の採掘で生成される量の2倍、鉄鉱石の採掘の30000倍です。[125] [124]対照的に、ラボで製造されたダイヤモンドを作成するために必要なエネルギーは、完全に再生可能エネルギーから供給することができ、g CO₂e/kWhの排出量はゼロです。このプロセスにより、ラボで製造されたダイヤモンドは、再生可能資源を使用すると温室効果ガスの影響なしに製造できるため、非常に持続可能な選択肢として位置付けられています。[124]
宝石・宝飾品輸出促進協議会の報告書によると、2014年に宝石として生産されたダイヤモンドのうち、合成ダイヤモンドは0.28％を占めた。[132] 2022年4月、CNNビジネス[133]は、合成ダイヤモンドまたはラボで製造されたダイヤモンドを使用した婚約指輪の販売数が前年比63％増加したのに対し、天然ダイヤモンドを使用した婚約指輪の販売数は同時期に25％減少したと報じた。
2016年頃、合成ダイヤモンド宝石（例えば1カラットの石）の価格は1年で約30％急落し始め、採掘されたダイヤモンドの価格よりも明らかに低くなった。[134] 2017年現在、ジュエリーとして販売されている合成ダイヤモンドは、通常、天然ダイヤモンドよりも15～20％安く販売されており、生産経済が改善するにつれて相対価格はさらに下がると予想されていた。[135]
2018年5月、デビアスは合成ダイヤモンドを特徴とする「ライトボックス」という新しいジュエリーブランドを導入すると発表した。[136]
2018年7月、米国連邦取引委員会は、ジュエリーガイドの大幅な改訂を承認し、ダイヤモンドとダイヤモンド類似品の説明方法に関する新しいルールを課す変更を加えた。[137]改訂されたガイドは、2016年にデビアスが提唱していたものとは大幅に相反するものである。[136] [138] [139]新しいガイドラインでは、「ダイヤモンド」の定義から「天然」という言葉が削除され、ラボで製造されたダイヤモンドも「ダイヤモンド」の定義の範囲内に含まれるようになった。改訂されたガイドではさらに、「マーケティング担当者が競合他社のラボで製造されたダイヤモンドが実際のダイヤモンドではないことを示唆するために「合成」という言葉を使用した場合、...これは欺瞞的となる」と述べている。 [140] [138] FTCの改訂によると、2019年7月、第三者ダイヤモンド認定ラボであるGIA（米国宝石学会）は、ラボで製造されたダイヤモンドの認定プロセスとレポートから「合成」という言葉を削除した。[141]
参照
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- 合成アレキサンドライト
- ダイヤモンドのリスト
注記
- ^ 1828年にはすでに研究者らがダイヤモンドを合成したと主張していた。
- アカデミー科学会の閉会式、1828年11月3日: [9]「純粋な二硫化炭素と接触させたリンの作用と、ダイヤモンド粒子に似た特性を示した実験結果に関するいくつかの調査を報告したガンナル氏からの手紙が朗読された。」
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- アカデミー科学会の発表論文、1828年11月10日: [11]「アラゴ氏はカニャール・ド・ラトゥール氏からのメモを伝えた。その中でこの物理学者は、自分はガンナル氏とは異なる方法で炭素を結晶化させることに成功し、1824年に長官に預けた封筒に最初の手順の詳細が含まれていると述べている。アラゴ氏は、同様の結果に達した別の人物を知っていると発表し、ゲイ＝リュサック氏は、8年前にガンナル氏がその試みについて自分と話したと発表した。」
- Procès-verbaux des Séances de l'Académie (Académie des Sciences)、1828 年 12 月 1 日: [12]「テナール氏は、1828 年 11 月 26 日にテナール氏が人工ダイヤモンドとして提示した粉末について行われた実験の議事録を読み上げました。カニャール・ド・ラトゥール。」
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外部リンク
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Wikisource にはこの記事に関連する原文があります:
合成ダイヤモンドを作ろうとした初期の試みを否定する手紙。
- シュルツ、ウィリアム。「最初のダイヤモンド合成：50年後、誰が功績を認められるかの曖昧な状況」。化学工学ニュース。82 （5）。ISSN 0009-2347。