Главная arrow Алмазы arrow Алмазы из газа
 
 
Главное меню
Главная
Ювелирные изделия
Алмазы
Немного истории
Словарь ювелира
Архив ювелира
Ювелирная реклама
Блог
Поиск
Контакты
Карта сайта
Ювелирная информация
Ювелирные объявления о ювелирном искусстве

Алмазы из газа PDF Печать E-mail
Рейтинг: / 1
ХудшаяЛучшая 
Оглавление
Алмазы из газа
Страница 2
Страница 3
Страница 4

 

 

Для исследования зависимости скоростей роста алмаза и графита от температуры и давления углерод-содержащих газов была создана лабораторная установка, состоящая из реактора и вакуумной системы.

Реактор имеет цилиндрическую форму. Он изготовляется из кварца и способен выдержать температуру до 1200° С. Горячая зона реактора находится внутри электрической печки. Температура реактора измеряется термопарами, помещенными в специальный кварцевый карман.

Вакуумная система содержит вакуумные насосы, узел очистки и хранения газов, несколько манометров разного типа для измерения давления газа в широком диапазоне и расходомер газа.

...Пока механик отлаживает установку, лаборант готовит навеску очень тонко измельченного (высокодисперсного) алмазного порошка.

Но стоит ли так дробить порошок... А что если взять порошок с зернами покрупней?

Чем мельче порошок, тем больше его удельная поверхность, то есть суммарная поверхность всех частиц, содержащихся в одном грамме порошка. А чем больше удельная поверхность порошка, тем большее количество алмазов можно нарастить на его частицах.

Навеска алмазного порошка помещается в реактор в маленькой кварцевой чашечке. Эта чашечка на длинной нити подвешивается к градуированной пружине, сделанной из кварцевой спирали. Сама спираль находится в холодной зоне реактора, а чашечка с алмазным порошком — в горячей.

Приводятся в действие вакуумные насосы: из всей системы откачивается воздух. Включается электрическая печь.

Реактор нагревается, и через него при заданном давлении протекает метан или другой газ из класса углеводородов.

Что происходит внутри реактора? Наблюдая через небольшой микроскоп с делениями за специальной отметкой на кончике кварцевой спирали, можно обнаружить, что через некоторое время после начала эксперимента порошок потяжелел.

Изменение   массы   наращиваемого порошка алмаза определялось с точностью до миллионной доли грамма.

Были и другие лабораторные установки. Одна из Них имела печь, изготовленную из графита, которая позволила поднять температуру до 2000° С. Опыты показали, что алмаз может расти и при температуре 1700-1800° С.

В результате многочисленных экспериментов было установлено, что в среде углеводородов скорость роста .алмаза в несколько раз превышает скорость роста графита.

Примечательно и то, что графит и алмаз растут по-разному. Прежде всего это заметно по влиянию водорода, который является продуктом реакции метана и других углеводородов. Добавление водорода в исходный метан существенно уменьшает скорость роста графита, но не влияет на скорость роста алмаза. Более того, в отдельных случаях при разбавлении метана водородом выделение графита уменьшается, а алмаза увеличивается. Увеличивается даже общий привес на затравочном алмазном порошке алмаза и графита вместе.

Казалось, нарушен принцип Ле Шателье, согласно которому добавление продукта реакции тормозит ее. Однако принцип остался незыблемым. В действительности при добавлении водорода уменьшаются скорости роста как графита, так и алмаза. При этом блокировка поверхности затравочных частиц графитом уменьшается. Но поскольку скорость роста алмазов из углеводородов значительно превышает скорость роста графита, а доля поверхности, на которой алмаз может расти, увеличивается, то увеличивается и суммарная скорость его роста.

Приведем еще один пример.

Как известно, углерод имеет два стабильных изотопа: С12 с атомным весом 12 и С13 с атомным весом 13. В природе каждый углеродсодержащий минерал имеет определенное соотношение между этими двумя изотопами.

Природный алмаз содержит относительно большое количество изотопа С13. Можно сказать, что изотопно он «тяжелее» природного графита, который предпочитает более легкий изотоп С12.

При синтезе методом высоких давлений алмаз наследует изотопный состав графита, используемого для синтеза. При росте из метана алмаз становится изотопно «тяжелее», чем одновременно растущий графит. Алмаз выбирает из метана (в котором также имеется определенное соотношение стабильных изотопов углерода) больше изотопа С13, а графит преимущественно пользуется изотопом С12.

На основании глубокого анализа результатов проведенных исследований ученые Института физической химии Академии наук СССР разработали математическую теорию процесса совместного роста алмаза и графита. Эта теория с достаточной степенью достоверности объясняет экспериментальные данные. Она находит подтверждение и в работах американских специалистов в области эпитаксиального синтеза алмаза.

По мере накопления результатов исследований и их теоретического осмысления разрабатывались все более совершенные методы синтеза алмаза из газовой фазы.

В первых экспериментах по наращиванию алмазных порошков в газовой среде приходилось на длительное время неоднократно прерывать синтез для очистки порошка от графита.

Исследования, проводимые в Институте физической химии, показали, что скорость окисления графита кислородом воздуха намного выше, чем алмаза. Это позволило разработать так называемый циклический метод очистки затравочных частиц алмазного порошка непосредственно в реакторе путем окисления в воздушном потоке. Таким образом, отпала необходимость переносить наращиваемый порошок для очистки из реактора в автоклав с водородом, а после очистки — обратно.

С помощью циклического метода за 30 циклов наращивание— очистка продолжительностью 1,5 часа каждый удалось нарастить исходное количество алмазного порошка на 61%.

А что, если, использовав различие в механизмах роста алмаза и графита, вообще не допускать рост графита?

В 1967 году Б. В. Дерягин и Д. В. Федосеев предложили импульсный метод наращивания кристаллов алмаза из газовой фазы, сущность которого вкратце заключается в следующем.

В процессе эпитаксиального роста кристалла алмаза,   как  мы   уже   знаем, наряду с алмазом на поверхности затравочного кристалла наращивается графит. При этом чем быстрее подается «строительный материал» — атомы углерода, тем дефектнее становится нарастающий слой алмаза и тем большая вероятность образования графита.

А теперь представьте себе, что атомы углерода подаются в избытке, но в течение очень короткого интервала времени. При этом, кроме эпитаксиального роста алмаза, идет образование зародышей графита. Если затем наступает пауза или подача «строительного материала» идет вяло, то зародыши графита, не успевая доразвить-ся, или, как говорят химики, оставаясь докритическими, переходят обратно в газовую фазу. А переход в газовую фазу атомов углерода алмаза затруднен благодаря их более прочной эпитаксиальной связи с поверхностью алмаза.

При многократном чередовании импульсов пересыщения и пауз будет наращиваться только алмазный слой.

 


 
« Пред.   След. »