C - DE COVER STORY - die vielen Facetten der MAN-MADE DIAMONDS

B efore den 1930er Jahren enthalten die Edelsteine ​​der Wahl für Verlobungsringe Opale, Rubinen und Saphiren. Aber in den 1940er Jahren, De Beers --die südafrikanische Bergbauunternehmen, das die Mehrheit der Diamantversorgung der Welt steuert - eingeführt „Ein Diamant ist für immer.“ Der Erfolg dieser Kampagne drehte Diamanten in das Symbol der ewigen Liebe und dramatisch die Nachfrage nach den Edelsteinen erhöht.

DIAMOND RING Aufgrund seiner optischen Durchlässigkeit, hoher Wärmeleitfähigkeit und Beständigkeit gegen chemischen Angriff, synthetischer Diamant ist ein attraktives Material für die Herstellung von optischen Fenstern für in extremen Umgebungen verwendet Instrumenten. ELEMENT SIX PHOTO

In einem Lagerhaus in Sarasota, Florida. Ein Unternehmen namens Gemesis Diamanten wird in zwei Dutzend oder so Hochdruck, Hochtemperatur-Kristallwachstumskammern, die jeweils die Größe einer Waschmaschine wächst. Innerhalb jeder Kammer wird ein kleines Stück von natürlichen Diamanten in einer geschmolzenen Lösung aus Graphit gebadet und einem proprietären Metallbasis Katalysator bei etwa 1.500 ° C und 58.000 atm Drucks. Kohlenstoff fällt auf den Diamant-Keimkristall langsam. Eine Edelstein-Qualität, 2,8 Karat grober gelber Diamant wächst in knapp drei-und-ein-halb Tagen.

Ein Rohdiamant dieser Größe geschnitten und poliert werden, um einem Diamant-Juwel größer als 1,5 Karat zu geben. (. Ein halbes Karat entspricht 100 mg Diamanten und ist in etwa die Größe eines Maiskorns) Genau wie natürlich gelbe Diamanten vorkommen, die gelben Labor-grown Steine ​​erhalten ihre Farbe von Spurenmengen von Stickstoffverunreinigungen: Ersetzen weniger als fünf von jeweils 100.000 Kohlenstoffatomen im Diamantkristallgitter mit Stickstoffatomen gibt einen gelben Diamanten.

Natürlich vorkommende fancy farbigen Diamanten - Gelb, Blau, Rosa und Rot - sind sehr selten und daher sehr wertvoll. Ein Gemesis erstellen gelb fancy-farbigen Diamanten - sichtlich nicht von einem natürlich auch zu einem ausgebildeten gemologist - können für etwa $ 4.000 pro Karat erworben werden. Das entspricht etwa 30% weniger als der Preis eines natürlichen Diamanten von ähnlicher Farbe und Qualität, nach Robert Chodelka, Gemesis Vice President für Technologie.

In der rauen Um seine Edelstein-Qualität gelben Diamanten (eine grobe man oben) zu wachsen, Gemesis verwendet Waschmaschine große Kristallzuchtkammern, die hohen Drücken und hohen Temperaturen zu reproduzieren, die Natur beruht auf. Gemesis FOTOS

Die ersten synthetischen Diamanten (Diamantkorn) wurden in den frühen 1950er Jahren von Forschern an der Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget Laboratory in Stockholm, Schweden produziert. Sie haben nicht sofort ihre Arbeit veröffentlichen. Kurz danach berichteten GE Forscher ihre eigene erfolgreiche Diamantsynthese in der Natur. Wie Gemesis, verwendeten beiden Teams Bedingungen, die die Drücke und Temperaturen, unter denen Diamanten zu imitieren sind gedacht, um natürlich zu bilden.

Chodelka sagt C-EN dass Gemesis „auf die Offenlegung verpflichtet“, wird darauf hingewiesen, dass alle von der Firma Diamanten sind Laser beschriftet. Außerdem sagt er Mengen an Nickel in dem Diamanten aus dem Metallkatalysator verursacht eine kurzlebige Phosphoreszenz nach der Belichtung mit intensivem UV-Licht links verfolgen - eine Eigenschaft von den meisten natürlichen Diamanten geteilt. Er weist auch darauf hin, dass die Unterschiede in der räumlichen Verteilung des Stickstoff Defekten zwischen natürlichen und Gemesis gewachsenen Diamanten können durch Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie und Röntgenabsorptionsspektroskopie nachgewiesen werden.

Aber Gemesis' Business-Plan beginnt erst mit Edelsteinen. Diamant hat eine außergewöhnliche Bandbreite von Materialeigenschaften: Es ist das härteste und steifste Material bekannt; elektrischer Isolator ist ein ausgezeichneter; Wärmeleitfähigkeit aus einem beliebigen Material hat die höchste bisher kaum ausdehnt, wenn sie erhitzt; ist transparent für UV, sichtbare und Infrarot-Licht; und ist chemisch inert gegenüber fast allen Säuren und Basen.

Diamond Superlativ Eigenschaften sind fein abgestimmt durch Verunreinigungen im Kohlenstoffgitter gefunden - die gleichen Verunreinigungen, die Farben in natürlich vorkommenden Diamanten produzieren. Diamanten ein perfektes Kohlenstoff Kristallgitter ohne Defekte oder Substitutionen sind farblos. Ein solcher Diamant hat eine große Bandlücke - was bedeutet, dass die Energie, die benötigt ein Elektron zu befreien, so dass es durch das Diamantgitter hoch bewegen kann - und deshalb ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator. Aber mit Bor einige der Kohlenstoffatome im Diamantgitter zu ersetzen - eine Verunreinigung, die die recht blauen Farbe in einigen seltenen Diamanten produziert, einschließlich der berühmten Hope-Diamant --transforms Diamant in einen p-Typ-Halbleiter. Das ist, weil Bor nur drei Außenschale Elektronen hat und nur drei von vier Bindungen machen, die normalerweise der Fall ist Kohlenstoff im Diamantgitter. Das Ergebnis ist ein fehlendes Elektron oder „Loch“, die frei durch den Kristall bewegen kann, so dass der Diamant positive Ladung zu leiten.

Aber Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren zur Synthese von Diamanten wie Gemesis' bietet Kontrolle von Verunreinigungen begrenzt und produzieren Diamanten von begrenzten Größe, sagt Butler. Apollo Diamond. ein Start-up-Unternehmen in Boston, glauben, dass eine Niederdruck-Technik namens Chemical Vapor Deposition (CVD) könnte die Antwort sein. Butler stimmt. „So interessant und so wichtig wie die Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren ist, wird es nicht die technologischen Auswirkungen des Diamantwachstums durch chemische Dampfabscheidung hat“, sagt er C-EN.

Apollo wird unter Verwendung von CVD einkristalline Diamantwafer groß genug, um zu wachsen, schnitt in Diamanten Edelsteine ​​ein Karat von mehr zu werden. Apollo-Methode größere Diamanten wachsen und ist weniger teuer als Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren stellt Robert C. Linares, Apollo-Gründer und Vorsitzender.

Eine langsame, langweilige Version des Niederdruck-CVD-Verfahrens wurde erstmals im Jahr 1952 von William G. Eversole von Union Carbide dokumentiert. Damals, „es gibt viel Skepsis war, dass man Diamant bei niedrigen Drücken wachsen konnte, weil Diamant thermodynamisch instabil in Bezug auf Graphit ist“, erinnert sich John C. Angus. Professor für Chemieingenieurwesen an der Case Western Reserve University, Cleveland. „Viele Leute sagten, dass das Wachstum von Diamant bei niedrigem Druck den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt. Sie dachten, waren ein Narr oder ein Betrug sein, wenn Sie diesen Vorschlag“, sagt er.

Union Carbide verließ anschließend das Projekt. Aber eine kleine Gruppe von russischen und amerikanischen Wissenschaftlern, darunter Angus, nach vorne geschoben. In den späten 1960er Jahren gelang es Angus, dass das Diamantwachstum durch CVD zu beweisen, war in der Tat möglich. in den 1980er Jahren von Wissenschaftlern des National Institute for Research in Inorganic Materials in Tsukuba, Japan Das Verfahren wurde weiter zu einem rentablen kommerziellen Verfahren verfeinert.

Dennoch hat sich in solchen Anwendungen einkristallinem Diamant anstelle von polykristallinem Diamant unter Verwendung von Vorteilen. Da die C # 151; C-Bindungen, die ihren Flickenteppich aus winzigen Kristallen zusammenhalten, sind schwächer als C # 151; C-Bindungen in einkristallinem Diamanten, polykristallinem Diamant ist nicht ganz so thermisch leitfähig, optisch transparent oder so stark wie einzelne -Kristall Diamant. In der Tat, für einige Anwendungen - insbesondere solche, wie Elektronik, die die höchste Ladungsträgermobilität erfordert - nur einkristalline Diamant tun, sagt Linares C-EN. Für Diamanten zur Herstellung von elektronischen Geräten an ihr Versprechen als Alternative zu Silizium zu leben „was erforderlich ist, qualitativ hochwertige, einkristallinem CVD-Diamant in nutzbaren Größen“, ergänzt Coe.

Sowohl Coe und Linares legen nahe, dass, dank seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und elektrische Ladungsträgerbeweglichkeit wird einkristallinem halbleitendem Diamant das ultimative Material für fashioning Hochleistungs-Elektronikvorrichtungen sein. Element Six ist bereits einige einfachen Prototyp-Geräte machen, wie Schalter, von p-Typ-Halbleiterdiamanten, sagt Coe. Aber die meisten Geräte benötigen sowohl Lochleitenden (p-Typ) und elektronenleitenden (n-Typ) Diamant-Halbleiter. Ersteres ist einfach: Beide Element Six und Apollo berichten, dass sie ihre CVD-Verfahren verwenden können, um Bor-dotierte einkristalline Diamantscheiben, die ausgezeichnete p-Halbleiter zu machen. Herstellung von N-Typ halbleitenden Diamant hat eine größere Herausforderung erwiesen, jedoch.

Eine Anzahl von möglichen n-Typ-Dotierungsmitteln untersucht worden, vor allem Phosphor. Eine Gruppe unter Leitung von Hisao Kanda des japanischen National Institute for Materials Science hat den mit Phosphor gibt Diamanten n-Typ-Halbleiterdotierung Diamanten gezeigt. Das Team hat, um zu zeigen, dass gegangen Phosphor dotierte und Bor-dotierte Diamant kombiniert werden, um eine einfache elektrische Vorrichtung eines p-n-Übergang genannt zu machen.