高圧合成ダイヤモンドの成長 : 宝石素材

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  • Growth of High Pressure Synthetic Diamonds

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抄録

ダイヤモンドは1955年に高圧法により初めて合成され,今では微粒子,焼結体の形状のものが工業的規模で大量生産されている。大粒単結晶の育成技術もその間に著しい発展をとげた。最近,30カラットを越す大型結晶も育成され,高純度のIIa乱型結晶の生産も始まった。本論文では,ダイヤモンド単結晶の合成技術および合成結晶の色の制御技術の現状をまとめた。大粒ダイヤモンド単結晶の成長は,溶液からの成長といえる。溶媒がVIII族元素を主体とする金属,溶質が炭素に相当する。金属は室温では固体であるが,高温で溶融し液体になると炭素を多量に溶解する溶媒となる。金属溶媒に温度勾配をつけ,高温側に原料炭素,低温側に種結晶を配置すると高温側で溶けた炭素原子は低温側に移動し,種結晶の上に新しい結晶が成長する。ただ,通常の溶液成長と大きく異なる点は,この成長が5万気圧以上の超高圧,金属が液体状態になる1300℃以上の高温で行われることである。金属溶媒としては,鉄,コバルト,ニッケルやこれらを主成分とする合金が用いられる。種結晶上に析出するダイヤモンド結晶は時間とともに大きくなる。その成長速度は主として金属溶媒中の温度勾配の大きさで決まる。しかし,成長速度がある限度を越えるとインクルージョンが入りやすくなり,そのため,これが成長速度の上限といえる。実際的には,200時間で2カラット,500時間で15カラットの結晶が得られている。しかし,サイズは成長空間で規制されるため,大きな結晶を育成するには大きな高圧装置を必要とする。今までに合成された世界最大の結晶は34.8カラットである。ダイヤモンドの着色は不純物の混入によるが,これは,合成条件により大きく異なる。溶媒となる金属の組成,不純物の成長容器への添加,成長温度などで不純物制御が可能である。また,高温高圧での熱処理によっても色が変化する。不純物としては金属溶媒元素が最も混入しやすいと予想されるが,原子状で混入しカラーセンターとなる溶媒元素は限られている。主要な金属溶媒である鉄,コバルト,ニッケルのうち,ニッケルだけがカラーセンターになり,緑や茶色の着色源となっている。古くから知られているダイヤモンドのカラーセンターとなる元素は,周期律表で炭素の隣にある窒素とホウ素である。窒素は,意図的に添加しなくてもダイヤモンド中に混入する。窒素源は,原料炭素,金属溶媒,圧力媒体中に分散している空気と思われる。通常の条件で合成すると,100〜400ppmの窒素がダイヤモンド中に混入し,結晶は黄色を呈する。これは,窒素単原子が炭素原子と置換しダイヤモンド結晶格子に取り込まれているためである。窒素を含まないII型の無色透明の結晶を得るには金属溶媒に窒素ゲッターと呼ばれる元素を添加する。Ti,Zr,Alがゲッターとして用いられている。これらの元素は窒素と強い結合をつくるため,試料容器中の窒素はダイヤモンドに混入せず金属溶媒内にとどまると考えられる。この窒素ゲッター効果のある元素の種類,添加量を調節することにより,任意の窒素濃度の結晶を合成することができる。しかし,窒素濃度を増やすことは困難である。合成ダイヤモンドにおける今までの最高の窒素濃度は800ppmである。ホウ素を含有する結晶を育成するには結晶育成容器中にホウ素粉末を添加すればよい。ホウ素を含むダイヤモンドは青色を呈し、p型の半導体となって導電性になることが知られている。青色の濃さ、電気伝導度はホウ素濃度に比例して大きくなる。これらの着色は結晶内のセクターによって異なる。通常、窒素による黄色の濃さは{111}>{100}>{110}={113}の順である。ホウ素による青色にもセクター依存症はあるが、濃さの順はホウ素添加量によって逆転し、それは単純ではない。ニッケルによる着色は{111}セクタのみに限られる。同一の試料構成でも育成温度によって得られる結晶の色は異なる。窒素による黄色は育成温度の上昇に伴い淡くなる。ホウ素による青色は濃くなる。しかし、窒素ゲッターを含む金属溶媒を用いたときには、この色の変化は逆になる。ニッケルの着色は温度よりも成長速度が関係し、大きな速度でより多くのニッケルが混入する。通常の合成ダイヤモンドは単原子状窒素を含むIb型であるが、1500℃以上で成長した合成ダイヤモンドには2原子状窒素(Ia型)も含まれている。このIa成分は結晶成長中にアニールを受け生成したと考えられる。ダイヤモンドを熱処理すると、その中に含まれる不純物窒素が拡散し、カラーセンターの構造が変化することが知られている。特に、不純物窒素の拡散は詳しく調べられていて、その拡散速度を基に天然ダイヤモンドの生成年代も推定されている。黄色のIb型合成結晶は1500℃以上の熱処理でも無色に変わる。これは、単原子状窒素が拡散凝集し、2原子状窒素に変わることによる。ニッケルセンターを含む結晶を熱処理したときには、色の変化は異なる。黄色は茶色

収録刊行物

  • 宝石学会誌

    宝石学会誌 20 (1-4), 37-46, 1999

    宝石学会（日本）

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