单晶金刚石及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种单晶金刚石，其由碳同位素12C的浓度为99.9质量%以上的碳以及除了碳以外的多种不可避免的杂质构成。该不可避免的杂质包括氮、硼、氢和镍；并且所述多种不可避免的杂质中的氮、硼和氢的总含量设定为0.01质量%以下。为了制得这种单晶金刚石，首先对碳同位素12C的浓度为99.9质量%以上的烃类气体进行脱氮处理（S1）。在真空室中，经过脱氮处理的烃类气体（例如）在1200℃至2300℃（包括端值）的温度下在基底上热分解，从而制得碳原料（S2）。用这种碳原料合成金刚石，并且从该金刚石上切割出籽晶（S3）。将所述籽晶与溶剂和碳原料一同容纳在腔体中，通过高温高压合成方法由所述籽晶生长出单晶金刚石（S4）。
【专利说明】单晶金刚石及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及单晶金刚石及其制造方法，具体而言涉及具有高纯度和高硬度的单晶金刚石及其制造方法。
【背景技术】
[0002]单晶金刚石用于(例如)与工具(如切削工具)、音响、光学、电子器件等相关的各个领域。该单晶金刚石包括被称作IIa型金刚石和Ib型金刚石的金刚石。IIa型金刚石是基本上不含作为杂质的氮的高纯度金刚石，Ib型金刚石为含杂质的金刚石，其包含约0.1%的作为杂质的氮。基于这些金刚石间的硬度比较，人们已经知道IIa型金刚石比Ib型金刚石更坚硬。
[0003]例如，H.Sumiya 在 Diamond&Related Materials,第 15 卷(2006),第 1576-1579 页(非专利文献I)中描述了努普硬度随温度而变化的IIa型金刚石。
[0004]另一方面，12C和13C为已知的碳同位素。例如，日本专利特开第4-92894号公报(专利文献I)和日本专利特开第4-92896号公报(专利文献2)描述了可通过调节这种碳同位素12C或13C的含量以及氮的含量来得到导热性优异的气相合`成金刚石。
[0005]引用列表
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本专利特开第4-92894号公报
[0008]专利文献2:日本专利特开第4-92896号公报
[0009]非专利文献
[0010]非专利文献1:H.Sumiya, Diamond&Re lated Materials,第 15 卷(2006)，第1576-1579 页
[0011]非专利文献2:T.R Anthony 等人，Diamond&Re lated Materials,第 I 卷(1992),第 717-726 页
【发明内容】
[0012]技术问题
[0013]如以上专利文献I和2所述，在含有碳同位素的常规金刚石中，已从提高导热性的角度出发设计了金刚石中碳同位素或氮的含量。然而，这些文献中所描述的发明基本上是为了提高金刚石的导热性而规定碳同位素或氮的浓度，而不是为了提高金刚石的硬度而规定碳同位素或氮的浓度。
[0014]据认为，金刚石的硬度随着碳同位素13C浓度的提高而增加。这是因为理论上认为更高的碳同位素13C含量会产生更强的结合，并使金刚石的硬度更高。然而，由于碳同位素13C以仅仅1.1%的天然丰度比存在，因此提高碳同位素13C的浓度需要高成本。因此，简单地提高碳同位素13C的浓度来提高金刚石的硬度在工业上是不实用的。此外，正如在T.RAnthony 等人在 Diamond&Related Materials 第 I 卷(1992),第 717-726 页中所报道的，即使碳同位素13C的浓度确实增加了，与具有天然丰度比的金刚石相比仍没有太大差别。这是因为未充分除去非专利文献2的金刚石中除同位素以外的杂质。
[0015]此外，本申请的发明人研究结果发现，作为杂质的镍(Ni)的存在会对通过使碳同位素富集而制造的单晶金刚石的高温硬度特性产生不利影响。
[0016]于是，本发明的一个目的是提供一种能够通过利用碳同位素12C从而实现更高硬度的单晶金刚石及其制造方法。本发明的另一个目的是提供这样一种单晶金刚石及其制造方法，其中该单晶金刚石能够通过利用碳同位素12C从而实现更高的金刚石硬度，此外通过适当调节杂质还实现了高温硬度特性。
[0017]问题的解决方案
[0018]本发明一个方面中的单晶金刚石由碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的碳和除了碳以外的多种不可避免的杂质组成。所述不可避免的杂质包括氮、硼、氢和镍，并且所述多种不可避免的杂质中的氮、硼和氢的总含量不高于0.01质量％。应当注意的是，碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的碳意味着除了碳同位素12C以外的碳同位素(如13C和14C)的含量低，并且碳当中的这些同位素的浓度即使合起来也低于0.1质量％。
[0019]氮和硼的含量优选小于氢的含量。此外，不可避免的杂质可以包含(例如)不高于0.0001质量％的氮、不高于0.0001质量％的硼、低于0.01质量％的氢、以及不高于0.00001质量％的镍。单晶金刚石优选具有不低于130GPa的努普硬度。优选的是，在单晶金刚石的(001)面内的〈110〉方向上发生努普硬度降低的阈值超过240°C。 [0020]根据本发明一个方面的一种制造单晶金刚石的方法，包括以下步骤:通过使用碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的经过脱氮处理的烃类气体，在真空室内、在大于等于600°C小于等于2300°C的温度下，制备经气相合成而合成得到的金刚石、或者通过在不低于1800°C的温度下对所述金刚石进行退火而制得的除碳以外的杂质量不高于0.01质量％的碳原料、或者通过在基材上将所述烃类气体热分解而获得的碳原料(如石墨)；从通过使用所述碳原料而获得的固体碳上切割出籽晶；以及在将所述籽晶与溶剂和所述碳原料一同容纳在腔体中的同时，通过高温高压合成方法由所述籽晶生长出单晶金刚石。
[0021]腔体可以由(例如)无碳Fe形成。在这种情况下，优选的是，在将籽晶、溶剂、以及碳原料容纳于腔体中之后，通过在不高于KT3Pa的真空中将腔体密封，从而防止将大气中的碳同位素13C和氮引入腔体中。此外，优选的是，用于所述高温高压合成方法中的加热器的表面被石墨、类金刚石碳、气相合成金刚石或热分解碳等固体碳覆盖，其中在所述石墨、类金刚石碳、气相合成金刚石或热分解碳中，碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％并且除碳以外的杂质不高于0.01质量％。例如，可将以下合金材料用作所述溶剂:在该合金材料中，晶体粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti颗粒已经析出在Fe-Co合金中。
[0022]本发明另一个方面中的单晶金刚石由碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的碳和除了碳以外的多种不可避免的杂质组成。所述不可避免的杂质包括氮、硼和氢，但不包括Ni，并且所述多种不可避免的杂质中的氮、硼和氢的总含量不高于0.01质量％。应当注意的是，碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的碳意味着除了碳同位素12C以外的碳同位素(如13C和14C)的含量低，并且碳当中的这些同位素的总浓度即使合起来也低于0.1质量％。
[0023]氮和硼的含量优选小于氢的含量。此外，不可避免的杂质可以包括不高于0.0001质量％的氮、不高于0.0001质量％的硼、以及低于0.01质量％的氢。单晶金刚石优选具有不低于130GPa的努普硬度。优选的是，在单晶金刚石的(OOl)面内的〈110〉方向上发生努普硬度降低的阈值高于400°C。
[0024]根据本发明另一个方面中的一种制造单晶金刚石的方法，包括以下步骤:通过使用碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的经过脱氮处理的烃类气体，在真空气氛或惰性气体气氛中、在大于等于600°C小于等于2300°C的温度下，制备通过气相合成而合成得到的碳材料、或者通过在不低于1800°C的温度下对所述碳材料进行退火而制得的除碳以外的杂质量不高于0.01质量％的碳原料、或者通过在不含Ni的基材上将所述烃类气体热分解而获得的诸如石墨之类的碳原料；从通过使用所述碳原料获得的固体碳上切割出籽晶；以及在将所述籽晶与不含镍的溶剂和所述碳原料一同容纳在腔体中的同时，通过高温高压合成方法由所述籽晶生长出单晶金刚石。
[0025]腔体可以由(例如)无碳铁(Fe)形成。在这种情况下，优选的是，在将籽晶、溶剂、以及碳原料容纳于腔体中之后，通过在不高于KT3Pa的真空中将所述腔体密封，从而防止将大气中的碳同位素13C和氮引入所述腔体中。此外，优选的是，用于所述高温高压合成方法中的加热器的表面被 石墨、类金刚石碳、气相合成金刚石、或热分解碳覆盖，其中在所述石墨、类金刚石碳、气相合成金刚石、或热分解碳中，碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％并且除碳以外的杂质不高于0.01质量％。
[0026]本发明的效果
[0027]在本发明一个方面的单晶金刚石中，碳中碳同位素12C的浓度升高至99.9质量％以上，并且不可避免的杂质的含量大幅降低至0.01质量％以下，这样能够提高单晶金刚石的硬度，并且能够抑制由于温度导致的硬度降低。非专利文献2中报道了即使提高碳同位素13C的浓度以期望实现更高的硬度，但与碳同位素比等于天然丰度比的金刚石相比仍没有太大差别。本发明基于首次获得的发现，即:发现了未能实现如非专利文献2中所期望的高金刚石硬度的原因在于未充分去除碳同位素以外的杂质。也就是说，已经明确了这样的效果:即使被认为是硬度不高的碳同位素12C也能够比碳同位素比等于天然丰度比的金刚石具有更高的硬度，此外，高温硬度特性也可以更高。
[0028]在本发明一个方面的制造单晶金刚石的方法中，由于形成了同位素富集的高纯度碳，因此可以获得含有不低于99.9质量％的高纯度碳同位素12C、并且不可避免的杂质含量极低的碳材料，其中所述同位素富集的高纯度碳以如下这些材料为代表:通过对碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的经过脱氮处理的烃类气体进行热分解而得到的碳、石墨；或者气相合成金刚石；或者通过在高温下对该气相合成金刚石进行脱气而得到的固体碳。然后，从由所述碳材料合成的金刚石上切割下籽晶，并由该籽晶生长出单晶金刚石，由此可获得上述的高硬度单晶金刚石，该单晶金刚石含有高纯度的碳同位素12C,并且不可避免的杂质含量极低。
[0029]在本发明另一个方面的单晶金刚石中，碳中碳同位素12C的浓度提高至99.9质量％以上，不可避免的杂质的含量大幅降低至0.01质量％以下，并且不含Ni，由此实现了单晶金刚石的高硬度，并同时还能够提高单晶金刚石的高温硬度特性。
[0030]在本发明另一个方面的制造单晶金刚石的方法中，形成了同位素富集的高纯度碳，因此可获得含有不低于99.9质量％的高纯度碳同位素12C、不可避免的杂质的含量极低、并且不含Ni的碳材料，其中上述同位素富集的高纯度碳以如下材料为代表:通过在真空或惰性气氛中对碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的经过脱氮处理的烃类气体在不含Ni的基材上进行热分解而得到的碳、石墨、或者获得的气相合成金刚石；或者通过在高温下对该气相合成金刚石进行脱气而得到的固体碳。然后，从利用碳材料而合成的金刚石中切割出籽晶，利用不含Ni的溶剂和碳材料，由该籽晶生长出单晶金刚石，由此可获得上述的高硬度单晶金刚石，该单晶金刚石含有高纯度的碳同位素12C,不可避免的杂质含量极低，并且不含Ni。
[0031]附图简要说明
[0032]图1为示出了本发明的一个实施方式中制造单晶金刚石的流程图。
[0033]图2为示出了努普硬度与温度间的关系的示意图。
[0034]图3为示出了本发明的另一个实施方式中制造单晶金刚石的流程图。
【具体实施方式】
[0035]下文中将参照图1描述本发明的一个实施方式。
[0036]通过提高形成金刚石主体的碳中碳同位素12C的浓度、并且通过大幅降低金刚石中不可避免的杂质的浓度，使得本实施方式中单晶金刚石的硬度高于常规的普通单晶金刚石的硬度。具体而言，根据本实施方式的单晶金刚石由碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的碳以及除了碳以外的多种不可避免的杂质组成。
[0037]通常认为提高金刚石中碳同位素13C的浓度比提高金刚石中碳同位素12C的浓度能更有助于提高单晶金刚石的硬度。然而，与这一观点相反，本发明的特征在于:通过提高金刚石中碳同位素12C的浓度来提高单晶金刚石的硬度。
`[0038]单纯提高金刚石中碳同位素12C的浓度不能提高单晶金刚石的硬度。然而，作为本申请的发明人所进行研究的结果，我们发现通过提高金刚石中碳同位素12C的浓度并且将不可避免的杂质的浓度降至低于规定的水平，从而可提高单晶金刚石的硬度。
[0039]不可避免的杂质通常可以列举氮、硼、氢、镍等，并且这些不可避免的杂质的总含量设定为0.01质量％以下。例如，多种不可避免的杂质中氮、硼、以及氢的总含量设定为0.01质量％以下。也就是说，金刚石中杂质的浓度为大约不高于SMS(二次离子质谱)分析的检出限。金刚石中过渡金属的浓度为大约不高于ICP (电感耦合等离子体)分析或SIMS分析的检出限。在本实施方式中，具体而言，优选显著降低氮、硼、镍等的含量。
[0040]如上所述，通过提高金刚石中碳同位素12C的浓度(碳同位素的纯度)并将不可避免的杂质的含量设定为前所未有的低水平，可以使金刚石晶体中的不均匀性非常低并且晶格之间的结合可以更强。也就是说，虽然碳同位素12C和碳同位素13C之间的键长或质量不同，但是基本上消除了由此产生的键长的不均匀性，因此对抗外力时原子间结合破裂的起始点将变得非常少。因此，可以合成这样的单晶金刚石，该单晶金刚石的硬度比含1.1%左右(天然丰度比)的碳同位素13C的常规单晶金刚石硬度的硬度至少高5%。
[0041]应该注意的是，对于仅高度富集了碳同位素12C的单晶金刚石，其硬度等于或稍低于用具有天然丰度比的碳作为碳源合成的单晶金刚石的硬度值。此外，在用CVD(化学气相沉积)法富集同位素的情况下，由于金刚石中氢的引入是不可避免的或者结晶度比高温和高压单晶更差，因此单晶金刚石的硬度比本实施方式中更低。
[0042]在本实施方式的单晶金刚石中，例如，氮的浓度不低于0.000001质量％(0.01ppm)且不高于0.0OOl质量％( Ippm),硼的浓度不高于0.0001质量％( Ippm),氢的浓度低于0.01质量％,并且镍的浓度不高于0.00001质量％ (0.1ppm)ο
[0043]如上,金刚石中氮和硼的含量优选小于氢的含量。在本实施方式中，金刚石中氮和硼的含量大约不高于氢含量的1/100。此外，优选的是，镍的含量也等于或小于氮或硼的含量。在本实施方式中，镍的含量大约不高于氢含量的1/1000，并且大约不高于氮或硼含量的1/10。
[0044]如上，通过提高金刚石中碳同位素12C的浓度并降低不可避免的杂质的浓度，本实施方式中单晶金刚石的硬度可以为130GPa以上。可认为该数值显著高于一般高纯度金刚石的硬度(大约IOOGPa至120GPa)。 [0045]基于金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，对于除原料和籽晶不同外用类似步骤合成的、并且由高达天然丰度比的碳同位素组成的单晶金刚石，具有如非专利文献I中所示的200°C至230°C的阈值并且出现压痕。
[0046]相反，在本实施方式的单晶金刚石中，上述阈值温度同样高达约240°C至400°C。令人惊讶的是，至少到我们能够进行测量的450°C为止，几乎观察不到努普硬度的降低。这里，提及450°C的温度是因为在等于或高于450°C的温度下，压头(即合成的IIa单晶)无法承受，测量无法继续进行。也就是说，获得以下发现:本实施方式的单晶金刚石在高温特性方面同样优于当前的单晶金刚石。具体而言，对于本实施方式中单晶金刚石的(001)面内<110>方向上的努普硬度，240°C至400°C范围内的努普硬度与室温下的努普硬度的比值不低于0.95。
[0047]现在将参照图1描述本实施方式中制造单晶金刚石的方法。
[0048]为了制造本实施方式中的单晶金刚石，准备了碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的烃类气体。例如，可以采用甲烷气体作为烃类气体。
[0049]然后，如图1所示，对烃类气体进行脱氮处理(步骤SI)。例如，使用脱氮过滤器(denitrification filter)对烃类气体进行脱氮处理。作为脱氮过滤器,可以采用称为“海绵钛”的多孔钛。这里，“海绵钛”是将钛作为金属使用时最初产生的纯钛。可以通过用镁还原四氯化钛来制造这种“海绵钛”。将以上“海绵钛”加热到300°C至900°C (优选500°C以上)并将经过加热的“海绵钛”与烃类气体接触，以便“海绵钛”能与氮反应并且将氮从烃类气体中除去。
[0050]将如上进行了脱氮处理的烃类气体引入在真空室中，并且在该真空室中，在大致不低于600°C且不高于1300°C的温度下合成得到气相合成金刚石，或者在不低于1200°C且不高于2300°C的温度下将该烃类气体在基材上热分解。例如，如图1所示，可以在基材上制造固相石墨(固体碳)(步骤S2)。石墨中碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％。应该注意的是，在石墨生成过程中，优选将真空室内的真空度设定为(例如)约20托至100托。
[0051]因而，由于在真空室中由气相状态的烃类气体气相合成金刚石，或者通过热分解在基材上制得固相碳材料，因此如上所述可以极大地降低碳材料中所含杂质的量。
[0052]在烃类气体的热分解中，优选将烃类气体供向基材。可以从基材的上方向基材供应烃类气体，或者可以沿倾斜方向或水平方向供向基材。
[0053]作为基材，(例如)可以采用Ta、W、Re或其碳化物。此外，也可以将通过除去基材上的碳材料(例如，形成于该基材上的石墨)而获得的材料用作基材。在这种情况下，可以采用杂质含量少的碳材料作为基材，并且能够进一步有效地抑制杂质引入碳材料(例如，在其上形成的石墨)中。
[0054]在基材上形成诸如石墨之类的碳材料时，(例如)优选将设置在真空室中的基材加热到不低于1200°C的温度。优选将基材加热到约1500°C至2000°C，并且更优选加热到约1900°C至2000°C。可以采用众所周知的技术作为加热方法。例如，可以在真空室内设置这样的加热器，该加热器能够直接或间接地将基材加热到不低于1200°C的温度。应该注意的是，应该适当地调节温度或压力等条件，以在碳材料中形成作为下述的籽晶的部分。
[0055]上述石墨等碳材料的密度优选为不低于1.4g/cm3。因而，即使由于高温高压合成中的压缩而发生了体积变化，也能抑制由于腔体的异常变形而导致的加热器变形，或者抑制因此导致的电阻变化造成的对晶体生长的妨碍或晶体生长失败。
[0056]然后，由作为碳源的碳材料(如上述石墨)合成了单晶金刚石，其中在该单晶金刚石中，利用了高温高压合成方法(例如，不低于5GPa且不低于1300°C)使同位素富集。如图1所示，(例如)用激光从同位素富集的高纯度单晶金刚石上切割籽晶(步骤S3)。单晶金刚石为(例如)平板状并且包含低应变的单晶部分。单晶的尺寸优选为大于0.5mmX0.5mm。从这种单晶金刚石上切下低应变的籽晶。更具体而言，从单晶金刚石上切下包含(100)面的单晶部分。
[0057]这里，优选的是，在用偏光显微镜确认之后，选择并切割具有极低应变的(100)面中的一部分，并且将 这部分作为籽晶使用。
[0058]在应变相对较高的部分中，不仅碳同位素12C的浓度低，而且会发生杂质(例如氮)的凝集等。此外，籽晶中的应变会反映在金刚石晶体的生长过程中，并且新生长的晶体也会具有应变，因而也易于将杂质引入到金刚石晶体中。因此，当切割并使用应变相对较高的部分时，金刚石晶体的不均匀性高，从而降低了金刚石的硬度。
[0059]在将上述籽晶与溶剂和碳源一起容纳于腔体中的同时，如图1所示，通过高温高压合成法(例如，不低于5GPa且不低于1300°C)由籽晶生长得到单晶金刚石(步骤S4)。
[0060]作为溶剂，可以采用以下合金材料:在该合金材料中，粒径(平均粒径)大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti颗粒分散存在于高纯度Fe-Co合金中。通过采用这种合金材料作为溶剂，可在进行脱氮的同时抑制高温高压合成过程中杂质的介入。应该注意的是，当Ti的粒径大于以上范围时,趋向于妨碍晶体生长。或者，当Ti的粒径小于以上范围时，氮的去除量是不足的。据认为，Ti颗粒不仅吸附了氮而且吸附了氧，甚至氧化了 Ti颗粒的内部。
[0061]合成的溶剂可以由(例如)无碳铁组成。例如，可以使用富集了同位素的石墨作为碳源。
[0062]在合成单晶金刚石中，将这样的金刚石合成体系容纳于腔体中，在该金刚石合成体系中，自下方起依次布置有籽晶、溶剂、以及碳源。例如，可以采用杯状腔体作为所述腔体。在不高于10_3Pa的真空中密封该腔体的上表面。这样可以抑制将大气中的碳同位素13C和氮引入到腔体中，并且可以将腔体的内部基本上设为真空状态。因而，可以抑制大气中包含的杂质气体(如CO、CO2、NOx、和H2O)的引入。
[0063]在采用如上方法以前，即使使用了碳同位素12C的浓度为99.999%的碳源，甚至也有所得到的金刚石晶体中碳同位素12C的浓度降低至约99%的情况。然而，在本实施方式中，通过上面的真空密封，所得金刚石晶体中碳同位素12C的浓度能够不低于99.9%。此外，还可将氮抑制至PPb级。
[0064]优选用热分解碳、石墨、类金刚石碳、或者气相合成金刚石覆盖用于高温高压合成方法中的加热器的表面，其中在所述热分解碳、石墨、类金刚石碳、或者气相合成金刚石中，碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％，并且除了碳以外的杂质浓度不高于0.01质量％。因而，能够抑制将碳同位素13C从环境引入到金刚石晶体中。
[0065]例如，可将天然石墨用于加热器。由于这种加热器含有1.1%以上的碳，因此在实现碳同位素12C的更高浓度时，加热器中的碳被引入到金刚石中则会成为严重的问题。
[0066]由此，考虑采用以下三种技术。首先，第一种技术是这样一种技术:通过预先加热加热器的表面并将富集了碳同位素12C的甲烷气体吹至其上，以在加热器表面上形成石墨层。
[0067]第二种技术是这样一种方法:利用石墨作为溅射靶，通过溅射法来覆盖加热器的表面，其中该石墨是由得自甲烷气体的碳同位素12C合成的，其中该甲烷气体中富集了碳同位素12C。
[0068]第三种技术类似于在用SEM (扫描电子显微镜)等观察的过程中用石墨覆盖样品的方法。即，通过采用如下石墨作为电极并引起电极之间放电，从而用其中富集了碳同位素12C的石墨覆盖加热器的方法，其中上述石墨是由得自甲烷气体的碳同位素12C合成的，其中该甲烷气体中富集了碳同位素12C。
[0069]然而，并不限于以上三种方法，在以下任何情况中都能得到效果，这些情况为:通过任何方法用石墨覆盖加热器的情况；用富集了同位素的石墨制造整个加热器的情况；以及用类金刚石碳或金刚石等固态碳来制造加热器的情况。
[0070]应该注意的是，本实施方式中的单晶金刚石应当(例如)在5GPa以上且不低于1350°C的温度下仅由籽晶生长得到。
[0071]下面将描述涉及本发明一个实施方式的单晶金刚石及其制造方法的例子。
[0072](实施例1)
[0073]使其中碳同位素12C的浓度为99.9%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。在真空室中，将所述已除去氮的甲烷气体吹到加热至1900°C的高温的Ta基底上。这样，该甲烷气体在Ta基底上分解，从而在Ta基底上形成尺寸为IOmmX IOmm的石墨,其中该石墨中的碳同位素12C的浓度不低于99.9%。这里,真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。使用这种石墨作为碳源，通过高温高压合成方法来合成高纯度金刚石。
[0074]用偏光显微镜观察富集了同位素的高纯度金刚石，切割出位于具有极低应变的
(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0075]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.9%的石墨覆盖。
[0076]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0077]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.9质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有140GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0078]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。此外，其硬度最高为约60GPa至70GPa。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高于250°C，在某些单晶中，即使温度超过400°C时也几乎观察不到硬度下降，并且高温下的硬度特性也优于常规金刚石(例如可以列举的是，硬度仍为IOOGPa至160GPa)。
[0079](实施例2)
[0080]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。在真空室中，将所述已除去氮的甲烷气体吹到加热至19000C的高温的Ta基底上。这样，该甲烷气体在Ta基底上分解，从而在Ta基底上形成尺寸为IOOmmX IOOmm的石墨,其中该石墨中的碳同位素12C的浓度不低于99.99%。使用这种石墨作为碳源，通过高温高压合成方法来合成高纯度金刚石。
[0081]用偏光显微镜观察富集了同位素的高纯度金刚石，由该单晶切割出位于具有极低应变的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0082]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150` μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13c，加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.99%的石墨覆盖。
[0083]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0084]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有142GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0085]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高于260°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0086](实施例3)
[0087]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。在真空室中，将所述已除去氮的甲烷气体吹到加热至1900°C的高温的Ta基底上。这样，该甲烷气体在Ta基底上分解，从而在Ta基底上形成尺寸为IOOmmX IOOmm的石墨,其中该石墨中的碳同位素12C的浓度不低于99.999%。使用这种石墨作为碳源，通过高温高压合成方法来合成高纯度金刚石。
[0088]用偏光显微镜观察富集了同位素的高纯度单晶金刚石，由该单晶切割出位于具有极低应变的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0089]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料中具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13c，加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的石墨覆盖。
[0090]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0091]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有143GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0092]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该 阈值温度也高于260°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0093](实施例4)
[0094]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。在真空室中，将所述已除去氮的甲烷气体吹到加热至19000C的高温的Ta基底上。这样，该甲烷气体在Ta基底上分解，从而在Ta基底上形成尺寸为IOOmmX IOOmm的石墨,其中该石墨中的碳同位素12C的浓度不低于99.999%。使用这种石墨作为碳源，通过高温高压合成方法来合成高纯度金刚石。
[0095]用偏光显微镜观察同位素被富集至99%以上的单晶金刚石，由该单晶金刚石(其中同位素被富集至99%以上)切割出位于具有极低应变的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0096]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的石墨覆盖。
[0097]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0098]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.999质量％、氮浓度不高于0.0OOl质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有160GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0099]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:本实施例的单晶金刚石中，关于该临界温度，如图2所示，直到超过400°C硬度仍为约160GPa(参照图2中12C (001)〈110〉)，并且其高温特性也优于常规金刚石(参照图2中IIa(OOl)〈 100〉)。在图2中，“12C”是指碳同位素12C的浓度为99.9%，属于本发明。此外，在图2中，标记“Ila”表示杂质浓度低的金刚石单晶，并且表示碳同位素12C为98.9%±0.1%的金刚石单晶。如图2所示，在单晶的(001)面中〈110〉方向上，240°C的努普硬度与室温下的努普硬度的比值不低于0.95。在240°C至400°C的范围内也观察到类似的这种趋势。
[0100]应该注意的是，使用了由超高取向的高纯度合成金刚石制造的压头作为图2中所示的硬度测量中的压头。此外，在这些压头中，选择能够在本实施例的金刚石的(001)面内〈110〉方向上产生压痕的压头作为测试用压头。虽然在过去的测试中，图2中由Ila(OOlXllO)表示的样品中没有形成压痕，但是此次通过使用非常坚硬的压头能够使各种IIa金刚石产生压痕。然后，测定类似的IIa晶体的硬度，其硬度为约140GPa。因而，虽然根据文献值是无压痕的点，但是在图中仍示出了 IIa的最大值作为参考值。
[0101]如上所得各实施例中的金刚石具有以下特征。即，由于晶体中电子自旋来源N或核自旋来源13C的排除，因引入痕量氮(局部浓度为O至IOOppb)导致的金刚石的脉冲回波电子自旋共振(ESR)中金刚石Pl中心的线宽小于等于0.035Gauss是非常有特征的，在常规单晶中不能获得这样的结 果。
[0102](实施例5)
[0103]使其中碳同位素12C的浓度为99.9%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C )上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.9%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0104]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0105]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.9%
的石墨覆盖。
[0106]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于IO-3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的石墨作为碳源。
[0107]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.9质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有140GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0108]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。此外，其硬度最高为约60GPa至70GPa。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高于250°C，在某些单晶中，即使温度超过450°C时也几乎观察不到硬度下降，并且高温下的硬度特性也优于常规金刚石(例如可以列举的是，硬度仍为IOOGPa至160GPa)。
[0109](实施例6)
[0110]使其中碳同位素12C的浓度为99.99%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C )上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为1OmmX 1Omm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.99%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0111]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0112]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13c，加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.99%的石墨覆盖。
[0113]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0114]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有142GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0115]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高达260°C，并且高温特性也优于常规金刚石。[0116](实施例7)
[0117]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.999%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0118]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0119]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13c，加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的石墨覆盖。
[0120]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0121]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有143GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0122]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高达260°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0123](实施例8)
[0124]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.995%。据认为，富集度略微降低的原因是腔体中引入了空气。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0125]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。[0126]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%
的石墨覆盖。
[0127]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0128]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.999质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有145GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0129]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，关于该阈值温度，直至超过400°C的硬度仍为160GPa等，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0130](实施例9)
[0131]使其中碳同位素12C的浓度为99.9%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C )上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.9%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0132]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0133]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.9%的类金刚石碳覆盖。
[0134]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的石墨作为碳源。
[0135]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.9质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有140GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0136]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。此外，其硬度最高为约60GPa至70GPa。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高于250°C，在某些单晶中，即使温度超过450°C时也几乎观察不到硬度下降，并且高温下的硬度特性也优于常规金刚石(例如可以列举的是，硬度仍为IOOGPa至160GPa)。
[0137](实施例10)
[0138]使其中碳同位素12C的浓度为99.99%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.99%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0139]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高 纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0140]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.99%的类金刚石碳覆盖。
[0141]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0142]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有142GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0143]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高达260°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0144](实施例11)
[0145]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.999%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0146]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0147]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13c，加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的类金刚石碳覆盖。
[0148]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0149]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有143GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0150]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高达260°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
`[0151](实施例12)
[0152]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.995%。据认为，富集度略微降低的原因是腔体中引入了空气。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0153]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0154]另一方面，准备了以下合金材料作为金刚石合成用溶剂:在该合金材料中，粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti分散在Ni含量不高于0.00001%的高纯度Fe-Co合金中，并且该合金材料具有已析出了 Ti的结构。此外，准备富集了同位素的石墨作为碳源。为了防止从周围环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的类金刚石碳覆盖。[0155]然后，将以下金刚石合成体系密封于由无碳Fe制成的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0156]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.999质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有145GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0157]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，关于该阈值温度，直至超过400°C的硬度仍为160GPa等，并且高温特性也优于常规金刚石。 [0158](比较例)
[0159]通过CVD方法，利用碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体来合成单晶金刚石。在该单晶金刚石中，基本上没有引入诸如氮、硼和镍之类的杂质，但存在约0.01质量％以上的氢。本比较例中单晶金刚石的硬度为约90GPa至lOOGPa，并且我们发现本实施例中通过高温高压合成获得的单晶金刚石具有更高的硬度。
[0160]下文中将参照图3描述本发明的另一个实施方式。
[0161]虽然本实施方式中的单晶金刚石与上述本发明一个实施方式中的单晶金刚石类似，由碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的碳和除了碳以外的多种不可避免的杂质组成，但是与上述本发明一个实施方式中的单晶金刚石不同的是，本实施方式中的单晶金刚石不含Ni作为杂质。
[0162]作为本申请的发明人的研究结果，还发现可以通过提高金刚石中碳同位素12C的浓度并将不可避免的杂质的浓度降低至低于规定水平从而提高单晶金刚石的硬度，并且可以通过调节杂质至不含镍以进一步提高高温下的硬度特性。还发现了根据本实施方式的单晶金刚石在脉冲回波电子自旋共振(ESR)中的谱线宽度锐化，即，应变非常低。由于应变低，可以预期应用于分析晶体或电源设备用基底。此外，由于12C的富集度高并且杂质的浓度极低，因此不存在13C的核自旋或源自氮和Ni的自旋，这意味着无自旋。因此，可以预期发展为量子计算机基底的基础。
[0163]不可避免的杂质通常可以列举氮、硼、氢等，这些不可避免的杂质的总含量设定为0.01质量％以下。例如，以上多种不可避免杂质中的氮、硼、和氢的总含量设定为0.01质量％以下。也就是说，金刚石中杂质的浓度为大约不高于SIMS (二次离子质谱)分析中的检出限。金刚石中过渡金属的浓度为大约不高于ICP (电感耦合等离子体)分析或SIMS分析的检出限。在本实施方式中，具体而言，优选显著降低氮、硼等的含量。此外，以上不可避免杂质中不包括Ni，并且根据本实施方式的单晶金刚石不包含Ni作为杂质。这里，“不包含Ni”在这里意味着不高于ICP分析或SMS分析的检出限。
[0164]如上所述，通过提高金刚石中碳同位素12C的浓度(碳同位素的纯度)并将不可避免的杂质的含量设定为前所未有的低水平，可以使金刚石晶体中的不均匀性非常低并且晶格之间的结合可以更强。也就是说，虽然碳同位素12C和碳同位素13C之间的键长或质量不同，但是基本上消除了由此产生的键长的不均匀性，因此对抗外力时原子间结合破裂的起始点将变得非常少。因此，可以合成这样的单晶金刚石，该单晶金刚石的硬度比含1.1%左右(天然丰度比)的碳同位素13C的常规单晶金刚石硬度的硬度至少高5%。
[0165]在本实施方式的单晶金刚石中，(例如)氮的浓度不低于0.000001质量％(0.01ppm)且不高于0.0001质量％( Ippm),硼的浓度不高于0.0001质量％( Ippm),氢的浓度低于0.01质量％，并且不含镍。
[0166]如上，金刚石中氮和硼的含量优选小于氢的含量。在本实施方式中，金刚石中氮和硼的含量大约不高于氢含量的1/100。
[0167]如上，通过提高金刚石中碳同位素12C的浓度并降低不可避免的杂质的浓度，本实施方式中单晶金刚石的硬度可以高达130GPa以上。可认为该数值显著高于一般的高纯度金刚石的硬度(大约IOOGPa至120GPa)。
[0168]关于金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度，对于由高达天然丰度比的碳同位素组成的如下单晶金刚石，具有如非专利文献I中所示的200°C至230°C的阈值并且出现压痕，其中该单晶金刚石的合成步骤与本实施方式的制造方法类似，不同之处在于原料、籽晶、以及诸如不含Ni的基材和溶剂之类的材料不同。
[0169]相反，在本实施方式的单晶金刚石中，即使在250°C下也没有产生压痕，并且高温硬度特性同样优异。应该注意的是，这里将不低于室温的温度视为高温，具体而言，即使30V左右或更高的温度也被视为高温。令人惊讶的是，本实施方式中单晶金刚石的上述阈值温度不低于约400°C，并且至少到我们能进行测量的450°C为止，几乎观察不到努普硬度的降低。这里，提及450°C的温度是因为在等于或高于450°C的温度下，压头(即合成的IIa单晶)无法承受，测量无法继续进行。也就是说，获得以下发现:本实施方式中的单晶金刚石在高温硬度特性方面同样优于当前的单晶金刚石。
`[0170]现在将参照图3描述本实施方式中制造单晶金刚石的方法。为了制作本实施方式中的单晶金刚石，准备了碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的烃类气体。例如，可以采用甲烷作为烃类气体。
[0171]然后，如图3所示，对烃类气体进行脱氮处理(步骤S11)。然后，将进行了脱氮处理的烃类气体引入真空室中，并且在真空气氛或惰性气体气氛中，在大约不低于600°C且不高于1300°C的温度下合成气相合成金刚石，或者在不低于1200°C且不高于2300°C的温度下使烃类气体在不含Ni的基材上热分解。例如，如图3所示，可以在基材上制造固相石墨(固体碳)(步骤S12)。石墨中碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％。应该注意的是，石墨生成过程中真空室内的真空度最好设为(例如)约20托至100托。此外，通过在不低于1800°C的温度下对气相合成金刚石进行退火，使得除碳以外的杂质的含量可以不高于0.01质量％。
[0172]因而，由于在设置为真空气氛或惰性气体气氛的真空室中由处于气相状态的烃类气体经气相合成而得到了金刚石，或者通过热分解在基材上制得了固相的碳材料，因此可以如上所述极大地降低碳材料中所含的杂质的含量。
[0173]在烃类气体的热分解中，优选将烃类气体供向基材。可以从基材的上方向基材供应烃类气体，或者可以沿倾斜方向或水平方向供向基材。
[0174]作为基材，(例如)可以采用Ta、W、Re或其碳化物。这里，选择了不含Ni的基材。此外，也可以将通过除去基材上的碳材料(例如，形成于该基材上的石墨)而获得的材料用作基材。在这种情况下，可以采用杂质含量少的碳材料作为基材，并且能够进一步有效地抑制杂质引入碳材料(例如，在其上形成的石墨)中。
[0175]在基材上形成诸如石墨之类的碳材料时，(例如)优选将设置在真空室中的基材加热到不低于1200°C的温度。优选将基材加热到约1500°C至2000°C，并且更优选加热到约1900°C至2000°C。可以采用众所周知的技术作为加热方法。例如，可以在真空室内设置这样的加热器，该加热器能够直接或间接地将基材加热到不低于1200°C的温度。应该注意的是，应该适当地调节温度或压力等条件，以在碳材料中形成作为下述的籽晶的部分。
[0176]上述石墨等碳材料的密度优选为不低于1.4g/cm3。因而，即使由于高温高压合成中的压缩而发生了体积变化，也能抑制由于腔体的异常变形而导致的加热器变形，或者抑制因此导致的电阻变化造成的对晶体生长的妨碍或晶体生长失败。
[0177]然后，通过使用作为碳源的碳材料(如上述石墨)合成了单晶金刚石，其中在该单晶金刚石中，利用了高温高压合成方法(例如，不低于5GPa且不低于1300°C)使同位素富集。如图3所示，(例如)用激光从同位素富集的高纯度单晶金刚石上切割籽晶(步骤S3)。单晶金刚石为(例如)平板状并且包含低应变的单晶部分。单晶的尺寸优选为大于0.5mmX0.5mm。从这种单晶金刚石上切下低应变的籽晶。更具体而言，从单晶金刚石上切下包含(100)面的单晶部分。
[0178]这里，优选的是，在用偏光显微镜确认之后，选择并切割具有极低应变的(100)面中的部分，并且将这部分作为籽晶使用。
[0179]在应变相对较高的部分中，不仅碳同位素12C的浓度低，而且会发生杂质(例如氮)的凝集等。此外，籽晶中 的应变会反映在金刚石晶体的生长过程中，并且新生长的晶体也会具有应变，因而也易于将杂质引入到金刚石晶体中。因此，当切割并使用应变相对较高的部分时，金刚石晶体的不均匀性高，从而降低了金刚石的硬度。
[0180]在将上述籽晶与溶剂和碳源一起容纳于腔体中的同时，如图3所示，通过高温高压合成法(例如，不低于5GPa且不低于1300°C)由籽晶生长得到单晶金刚石(步骤S14)。
[0181]所述溶剂可以由(例如)无碳铁组成。例如，可以使用富集了同位素的石墨作为碳源。
[0182]在合成单晶金刚石中，将这样的金刚石合成体系容纳于腔体中，在该金刚石合成体系中，自下方起依次布置有籽晶、溶剂、以及碳源。作为腔体的材料，可以列举(例如)不含碳和Ni但含Fe的材料，并且可以采用杯状腔体。在不高于10_3Pa的真空中密封该腔体的上表面。这样可以抑制将大气中的碳同位素13C和氮引入到腔体中，并且可以将腔体的内部基本上设为真空状态。因而，可以抑制大气中包含的杂质气体(如CO、C02、NOx、和H2O)的引入。
[0183]在采用如上方法以前，即使使用了碳同位素12C的浓度为99.999%的碳源，甚至也有所得到的金刚石晶体中碳同位素12C的浓度降低至约99%的情况。然而，在本实施方式中，通过上面的真空密封，所得金刚石晶体中碳同位素12C的浓度能够不低于99.9%。此外，还可将氮抑制至PPb级。
[0184]优选用热分解碳、石墨、类金刚石碳、或者气相合成金刚石覆盖用于高温高压合成方法中的加热器的表面，其中在所述热分解碳、石墨、类金刚石碳、或者气相合成金刚石中，碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％，并且除了碳以外的杂质不高于0.01质量％。因而，能够抑制将碳同位素13C从环境引入到金刚石晶体中。
[0185]例如，可将天然石墨用于加热器。由于这种加热器含有1.1%以上的碳，因此在实现碳同位素12C的更高浓度时，加热器中的碳被引入到金刚石中则会成为严重的问题。
[0186]由此，考虑采用以下三种技术。首先，第一种技术是这样一种技术:通过预先加热加热器的表面并将富集了碳同位素12C的甲烷气体吹至其上，以在加热器表面上形成石墨层。
[0187]第二种技术是这样一种方法:利用石墨作为溅射靶，通过溅射法来覆盖加热器的表面，其中该石墨是由得自甲烷气体的碳同位素12C合成的，其中该甲烷气体中富集了碳同位素12C。
[0188]第三种技术类似于在用SEM (扫描电子显微镜)等观察的过程中用石墨覆盖样品的方法。即，通过采用如下石墨作为电极并引起电极之间放电，从而用其中富集了碳同位素12C的石墨覆盖加热器的方法，其中上述石墨是由得自甲烷气体的碳同位素12C合成的，其中该甲烷气体中富集了碳同位素12C。
[0189]然而，并不限于以上三种方法，在以下任何情况中都能得到效果，这些情况为:通过任何方法用石墨覆盖加 热器的情况；用富集了同位素的石墨制造整个加热器的情况；以及用类金刚石碳或金刚石等固态碳来制造加热器的情况。
[0190]应该注意的是，本实施方式中的单晶金刚石应当(例如)在5GPa以上且不低于1350°C的温度下仅由籽晶生长得到。
[0191]除了具有高硬度外，这样获得的金刚石还具有以下特征。即，由于晶体中排除了电子自旋来源N或核自旋来源13C,因引入痕量氮(局部浓度为O至IOOppb)导致的金刚石的脉冲回波电子自旋共振线的半宽小于等于0.035Gauss。在常规单晶中从不可能获得这样的结果。
[0192]这只能通过以下因素来实现。也就是说，本实施方式中的单晶金刚石具有不高于10/cm2的缺陷密度，并且经拉曼光谱确认的面内应力分布在±1%以内。另外，可以从通过X射线形貌学拍摄的图像中提取不存在阴影部分(阴影部分表示有缺陷部位)的部分，并且发现能够提供应变非常低且高度结晶的晶体。另外，其硬度比由天然碳制得的那些金刚石的硬度高约10%，并且未观察到如高温下在常见IIa单晶中所见的因在(001)〈110〉方向上的塑性变形而导致的强度劣化。
[0193]现在将描述关于本发明的另一个实施方式的单晶金刚石及其制造方法的例子。
[0194](实施例13)
[0195]使其中碳同位素12C的浓度为99.9%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。在真空室中，将所述已除去氮的甲烷气体吹到加热至1900°C的高温且不含Ni的Ta基底上。这样，该甲烷气体在Ta基底上分解，从而在Ta基底上形成尺寸为IOmmX IOmm的石墨,其中该石墨中的碳同位素12C的浓度不低于99.9%。这里,真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。使用这种石墨作为碳源，通过高温高压合成方法来合成高纯度金刚石。
[0196]用偏光显微镜观察富集了同位素的高纯度金刚石，切割出具有极低应变的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。[0197]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.9%的石墨覆盖。
[0198]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0199]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到不含Ni的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.9质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有140GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0200]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。此外，其硬度最高为约60GPa至70GPa。相比之下，在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高于250°C，在某些单晶中，即使温度超过450°C时也几乎观察不到硬度下降，并且直到600°C (在大气中，金刚石在600°C下会燃烧)为止也未发生塑性变形。获得了这样的发现，即高温下的硬度特性也优于常规金刚石。
[0201](实施例14)
[0202]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷 气体中除去。在真空室中，将所述已除去氮的甲烷气体吹到加热至1900°C的高温且不含Ni的Ta基底上。这样，该甲烷气体在Ta基底上分解，从而在Ta基底上形成尺寸为IOOmmX IOOmm的石墨,其中该石墨中的碳同位素12C的浓度不低于99.99%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。使用这种石墨作为碳源，通过高温高压合成方法来合成高纯度金刚石。
[0203]用偏光显微镜观察富集了同位素的高纯度金刚石，从该单晶上切割出具有极低应变的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0204]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.99%的石墨覆盖。
[0205]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0206]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到不含Ni的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有145GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0207]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高于300°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0208](实施例15)
[0209]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。在真空室中，将所述已除去氮的甲烷气体吹到加热至1900°C的高温且不含Ni的Ta基底上。这样，该甲烷气体在Ta基底上分解，从而在Ta基底上形成尺寸为IOOmmX IOOmm的石墨,其中该石墨中的碳同位素12C的浓度不低于99.999%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。使用这种石墨作为碳源，通过高温高压合成方法来合成高纯度金刚石。
[0210]用偏光显微镜观察富集了同位素的高纯度单晶金刚石，从该单晶上切割出具有极低应变的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0211]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的石墨覆盖。
[0212]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0213]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到不含Ni的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有143GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
`[0214]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高于300°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0215](实施例16)
[0216]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。在真空室中，将所述已除去氮的甲烷气体吹到加热至1900°C的高温且不含Ni的Ta基底上。这样，该甲烷气体在Ta基底上分解，从而在Ta基底上形成尺寸为IOOmmX IOOmm的石墨,其中该石墨中的碳同位素12C的浓度不低于99.999%。使用这种石墨作为碳源，通过高温高压合成方法来合成高纯度金刚石。
[0217]用偏光显微镜观察同位素被富集至99%以上的单晶金刚石，从该单晶金刚石(其中同位素被富集至99%以上)上切割出具有极低应变的(100)面中的、尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0218]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的石墨覆盖。
[0219]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于10_3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0220]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到不含Ni的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.999质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有145GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0221]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，关于该阈值温度，直至超过400°C的硬度仍约为160GPa，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0222]如上所得各实施例中的金刚石具有以下特征。即，由于晶体中电子自旋来源N或核自旋来源13C的排除，因引入痕量氮(局部浓度为O至IOOppb)导致的金刚石的ESR中金刚石Pl中心的线宽小于等于0.020Gauss是非常有特征的，即使与非专利文献I相比，在常规的同位素富集的单晶中也从不能获得这样的结果。在5平方毫米的测量范围内缺陷密度为Ο/cm2。此外，在通过X射线形貌学进行的分析中没有观察到应变。在拉曼光谱的分析中，面内拉曼位移的分布在±0.1cnT1以内，并且因此可以确认没有应变的分布。
[0223](实施例17) [0224]使其中碳同位素12C的浓度为99.9%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.9%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0225]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0226]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备富集了同位素的石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.9%的石墨覆盖。
[0227]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的石墨作为碳源。
[0228]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.9质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有140GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0229]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。此外，其硬度最高为约60GPa至70GPa。相比之下，在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高于250°C，在某些单晶中，即使温度超过450°C时也观察不到硬度下降，并且从金刚石在大气中的燃烧温度起到600°C (测量极限)为止没有观察到塑性变形。因而，获得以下发现:在高温下的硬度特性也由于常规金刚石。
[0230](实施例18)
[0231]使其中碳同位素12C的浓度为99.99%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C )上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.99%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0232]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0233]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.99%的石墨覆盖。
[0234]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0235]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有142GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0236]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高达300°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0237](实施例19)
[0238]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.999%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0239]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0240]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的石墨覆盖。
[0241 ] 然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0242]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有143GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0243]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高达300°C，并且高温特性也优于常规金刚石。 [0244](实施例20)
[0245]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.995%。据认为，富集度略微降低的原因是腔体中引入了空气。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0246]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0247]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备富集了同位素的石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的石墨覆盖。
[0248]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0249]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.999质量％、氮浓度不高于0.0OOl质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有145GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0250]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，关于该阈值温度，直至超过400°C的硬度仍为160GPa等，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0251](实施例21)
[0252]使其中碳同位素12C的浓度为99.9%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C )上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.9%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0253]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0254]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备富集了同位素的石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.9%的类金刚石碳覆盖。
[0255]然后，将以下金刚`石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及富集了同位素的石墨作为碳源。
[0256]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，其中碳同位素12C的浓度为99.9质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有140GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，除了原料以及籽晶不同以外，该常规单晶金刚石是以类似步骤合成的，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0257]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。此外，其硬度最高为约60GPa至70GPa。相比之下，在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高于250°C，在某些单晶中，即使温度超过450°C时也几乎观察不到硬度下降，并且直到600°C (在大气中，金刚石在600°C下会燃烧)为止也未发生塑性变形。获得了这样的发现，即高温下的硬度特性也优于常规金刚石。
[0258](实施例22)
[0259]使其中碳同位素12C的浓度为99.99%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C )上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.99%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0260]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0261]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备其中富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.99%的类金刚石碳覆盖。
[0262]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及其中富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0263]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有142GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0264]另外，基于单 晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高达300°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0265](实施例23)
[0266]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.999%。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0267]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0268]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备其中富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的类金刚石碳覆盖。
[0269]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及其中富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0270]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.99质量％、氮浓度不高于0.0OOl质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有143GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0271]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，获得了以下发现:在本实施例的单晶金刚石中，该阈值温度也高达300°C，并且高温特性也优于常规金刚石。
[0272](实施例24)
[0273]使其中碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体通过加热至600°C以上的海绵钛，从而将氮从甲烷气体中除去。将已除去氮的甲烷气体引入真空室中，其中该真空室中混有1%至3%的氢。灯丝的温度固定为2000°C，并在金刚石基底(基底温度为800°C至900°C)上合成单晶。这样便形成了用作碳源的尺寸为IOmmX IOmm的金刚石单晶，其中碳同位素12C的浓度不低于99.995%。据认为，富集度略微降低的原因是腔体中引入了空气。这里，真空室内的压力大约设定为IO2Pa至104Pa。由于通过实验已经知道已将氢引入该金刚石中，因此在1800°C至2000°C下对用作碳源的金刚石进行热处理，并将所得固体用作富集了碳同位素12C的碳源。
[0274]使用以上碳源通过一次高温高压合成来合成金刚石单晶，用偏光显微镜观察该同位素富集表面的高纯度金刚石，切割具有极低应变的(100)面中的尺寸不小于
0.5mmX 0.5mm的部分，并且采用这部分作为籽晶。
[0275]另一方面，准备了不含Ni的高纯度Fe-Co-Ti合金作为金刚石合成用溶剂。此外，准备其中富集了同位素的石墨作为碳源。为了防止从环境中引入碳同位素13C,加热器的表面被碳同位素12C的浓度不低于99.999%的类金刚石碳覆盖。
[0276]然后，将以下金刚石合成体系密封于由Fe制成且不含碳和Ni的杯状腔体中，并在不高于KT3Pa的真空中密封其上表面，其中在该金刚石合成体系中，由下方依次布置有籽晶、溶剂、以及其中富集了同位素的高纯度石墨作为碳源。
[0277]然后，在1300°C的高温和5.5GPa的高压下由籽晶生长得到单晶金刚石。因此，可得到这样的单晶金刚石，在该单晶金刚石中，碳同位素12C的浓度为99.999质量％、氮浓度不高于0.0001质量％、氢浓度低于0.01%、并且硼浓度不高于0.0001%。该单晶金刚石具有150GPa的硬度，经发现高于常规单晶金刚石的90GPa至120GPa的硬度，该常规单晶金刚石为高纯度晶体，并且由高达天然丰度比的碳同位素构成。
[0278]另外，基于单晶金刚石的(001)面内〈110〉方向上的努普硬度的测量，常规金刚石晶体的阈值为200°C至230°C的范围并且出现压痕。相比之下，在本实施例的单晶金刚石中，关于该阈值温度，直至超过400°C仍未发生塑性变形。因此，获得了以下发现:高温特性也优于常规金刚石。
[0279]通过CVD方法，使用碳同位素12C的浓度为99.999%的甲烷气体来合成单晶金刚石。采用这种单晶金刚石作为源材料，并使用含0.001%的Ni的溶剂，从而通过高温高压方法来生长单晶金刚石。虽然基本上没有向所得单晶金刚石中引入诸如氮和硼之类的杂质，但Ni的含量为约0.0001质量％以上。在本比较例中的单晶金刚石的硬度为约120GPa，且在高温下，该单晶金刚石在180°C下塑性变形。因而，我们发现本实施例中不含Ni的单晶金刚石直至高温也不容易塑性变形。[0280]虽然上面描述了本发明的实施方式和实施例，但是硬度的改善和硬度的温度依赖性的改善归因于充当塑性变化起始点的杂质的减少。此外，即使像这样高的硬度使得Pi中心的ESR线宽极小，但据估计是因为杂质和应变的降低。
[0281]上述实施方式和实施例还可以进行各种更改。另外，本发明的范围不限于上述实施方式和实施例。本发明的范围由权利要求的条款限定，并且旨在包括与权利要求的条款等同的范围和含义内的任何修改。`
【权利要求】
1.一种单晶金刚石,包含: 碳，其中碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％ ;以及 除了所述碳以外的多种不可避免的杂质， 所述不可避免的杂质包括氮、硼、氢和镍，并且 所述多种不可避免的杂质中的氮、硼和氢的总含量不高于0.01质量％。
2.根据权利要求1所述的单晶金刚石，其中 所述氮和所述硼的含量小于所述氢的含量。
3.根据权利要求1或2所述的单晶金刚石，其中 所述不可避免的杂质包括不高于0.0001质量％的所述氮、不高于0.0001质量％的所述硼、低于0.01质量％的所述氢、以及不高于0.00001质量％的所述镍。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的单晶金刚石，具有不低于130GPa的努普硬度。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的单晶金刚石，其中 在单晶的(001)面内的〈110〉方向上发生努普硬度降低的阈值超过240°C。
6.一种制造单晶金刚石的方法，包括以下步骤:通过使用碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的经过脱氮处理的烃类气体，在真空室内、在大于等于600°C小于等于2300°C的温度下，制备沉积的气相合成金刚石、或者通过在不低于1800°C的温度下对所述气相合成金刚石进行退火而制得的除碳以外的杂质量不高于0.01质量％的碳材料、或者通过在基材上将所述烃类气体热分解而获得的碳材料；从通过使用所述碳材料作为碳源并由高温高压合成方法合成的金刚石上切割出籽晶；以及 在将所述籽晶与溶剂和所述碳材料一同容纳在腔体中的同时，通过高温高压合成方法由所述籽晶生长出单晶金刚石。
7.根据权利要求6所述的制造单晶金刚石的方法，其中 所述腔体由无碳铁形成，并且 在将所述籽晶、所述溶剂、以及所述碳材料容纳于所述腔体中之后，通过在不高于IO-3Pa的真空中将所述腔体密封，从而防止将大气中的碳同位素13C和氮引入所述腔体中。
8.根据权利要求6或7所述的制造单晶金刚石的方法，其中 用于所述高温高压合成方法中的加热器的表面被热分解碳、石墨、类金刚石碳、或气相合成金刚石覆盖，其中在所述热分解碳、石墨、类金刚石碳、或气相合成金刚石中，碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％并且除碳以外的杂质不高于0.01质量％。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的制造单晶金刚石的方法，其中 将以下合金材料用作所述溶剂:在该合金材料中，晶体粒径大于等于100 μ m小于等于150 μ m的Ti颗粒已经析出在Fe-Co合金中。
10.一种单晶金刚石，包含: 碳，其中碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％ ;以及 除了所述碳以外的多种不可避免的杂质， 所述不可避免的杂质包括氮、硼和氢，但不包括镍，并且 所述多种不可避免的杂质中的氮、硼和氢的总含量不高于0.01质量％。
11.根据权利要求10所述的单晶金刚石，其中 所述氮和所述硼的含量小于所述氢的含量。
12.根据权利要求10或11所述的单晶金刚石，其中 所述不可避免的杂质包括不高于0.0001质量％的所述氮、不高于0.0001质量％的所述硼、以及低于0.01质量％的所述氢。
13.根据权利要求10至12中任意一项所述的单晶金刚石，具有不低于140GPa的努普硬度。
14.根据权利要求10至13中任意一项所述的单晶金刚石，其中 在单晶的(001)面内的〈110〉方向上发生努普硬度降低的阈值等于或高于400°C。
15.一种制造单晶金刚石的方法，包括以下步骤: 通过使用碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％的经过脱氮处理的烃类气体，在真空气氛或惰性气体气氛中、在大于等于600°C小于等于2300°C的温度下，制备沉积的气相合成金刚石、或通过在不含镍的基材上将所述烃类气体热分解而获得的碳材料； 从通过使用所述碳材料作为碳源并由高温高压合成方法合成的金刚石上切割出籽晶；以及 在将所述籽晶与不含镍的溶剂和所述碳材料一同容纳在腔体中的同时，通过高温高压合成方法由所述籽晶生长出单晶金刚石。
16.根据权利要求15所述的制造单晶金刚石的方法，其中 所述腔体由不含碳和镍的铁形成，`并且 在将所述籽晶、所述溶剂、以及所述碳材料容纳于所述腔体中之后，通过在不高于IO-3Pa的真空中将所述腔体密封，从而防止将大气中的碳同位素13C和氮引入所述腔体中。
17.根据权利要求15或16所述的制造单晶金刚石的方法，其中 用于所述高温高压合成方法中的加热器的表面被热分解碳、石墨、类金刚石碳、或气相合成金刚石覆盖，其中在所述热分解碳、石墨、类金刚石碳、或气相合成金刚石中，碳同位素12C的浓度不低于99.9质量％并且除碳以外的杂质不高于0.01质量％。
【文档编号】C01B31/06GK103764882SQ201280042553
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年8月30日 优先权日:2011年9月2日
【发明者】池田和宽, 角谷均 申请人:住友电气工业株式会社