專利名稱：高韌性金剛石及其制造方法
技術領域：
本發明涉及金剛石，更具體地，涉及使用微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)在沉積室內制造的高韌性金剛石。
背景技術：
人造金剛石的大規模制造很久以來一直是研究和工業界的目標。金剛石除了它的寶石性質，它是已知的最硬材料，具有已知的最高熱導率，并且對于多種電磁輻射可透過。除了它作為寶石的價值，由于在其許多工業中的廣泛應用是有價值的。但是，金剛石的斷裂韌性低，這使得它不適于許多應用，例如高抗沖的機床。
至少在最近的20年間，已經可以通過化學氣相沉積(CVD)法來制造少量的金剛石。如B.V.Spitsyn等人在“Vapor Growth of Diamond onDiamond and Other Surfaces”，Journal of Crystal Growth，Vol.52，pp.219-226中所報道，該方法涉及使用甲烷或其它簡單烴氣與氫氣的組合在減壓和800-1200℃的溫度下在基底上進行金剛石的CVD。包括氫氣防止了隨著金剛石成核和生長而形成石墨。使用這種技術已報道高達1μm/小時的生長速率。
后來的工作，例如Kamo等人在“Diamond Synthesis from Gas Phasein Microwave Plasma”，Journal of Crystal Growth，Vol.62，pp.642-644中所報道的，示范了使用微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)在1-8KPa的壓力和800-1000℃的溫度下用2.45GHz頻率下300-700W的微波功率來制造金剛石。Kamo等人的方法中使用了濃度為1-3％的甲烷氣體。用這種MPCVD方法已報道最大生長速率為3μm/小時。
在上述方法以及許多更近期報道的方法中，在一些例子中金剛石的斷裂韌性優于天然金剛石。尤其是，已經知道僅制造或生長多晶形式的金剛石的高生長速率的方法制造出斷裂韌性高于天然金剛石的金剛石。除了某些已經過退火的高壓高溫(HPHT)人造金剛石，大多數金剛石的斷裂韌性小于11MPa m1/2。

發明內容
因此，本發明關注于制造金剛石的裝置和方法，其基本上消除了由于相關領域的限制和缺點導致的一個或多個問題。
本發明的目的涉及在微波等離子體化學氣相沉積系統中制造斷裂韌性提高的金剛石的裝置和方法。
本發明另外的特征和優點將在以下描述中闡明，部分從描述中是顯而易見的，或者可以通過本發明的實施獲悉。本發明的目標和其它優點可以通過書面的描述和本文的權利要求以及附圖所特別指出的結構實現和達到。
為了達到這些目的和其它優點并與本發明的目標一致，如所具體化和廣泛描述的，通過微波等離子體化學氣相沉積生長的單晶金剛石的硬度為50-90GPa，斷裂韌性為15-20MPa m1/2。
在另一實施方式中，單晶金剛石的斷裂韌性為18-20MPa m1/2。
根據本發明另一實施方式，用于生長單晶金剛石的方法包括將晶種金剛石置于夾具(holder)中，在大約1000℃至約1100℃的溫度下生長單晶金剛石，使得單晶金剛石的斷裂韌性為11-20MPa m1/2。
應當理解本發明的上述一般性描述和以下的詳細描述均是示范性和說明性的，用來提供對所主張的本發明的進一步闡明。


本發明的實施方式，并和說明書一起用來解釋本發明，將附圖包括在內以提供對本發明的進一步理解，其被結合在本說明書中并構成說明書的一部分。
圖1是用于測試金剛石硬度和斷裂韌性的壓頭的圖片。
圖2是在微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石上的壓痕的照片。
圖3是顯示微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石與IIa型天然金剛石相比的硬度和韌性的圖。
圖4是顯示不同溫度下形成的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石與IIa型天然金剛石相比的硬度和韌性的圖。
具體實施例方式
現在詳細參考本發明優選的實施方式，附圖中說明了其結果。
本申請中提到的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石用2002年11月6日提交的題為“Apparatus and Method for Diamond Production(用于制造金剛石的裝置和方法)”的美國專利申請第10/288,499號中描述的裝置生長，在此引入該專利作為參考。通常，將晶種金剛石置于夾具中，隨著金剛石生長，夾具移動晶種金剛石/生長的金剛石。本申請的發明人也是美國專利申請第10/288,499號的發明人。
厚度大于1毫米的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石沉積在Ib{100}型人造金剛石上。為了提高生長速率(50-150μm/h)并促進光滑{100}面的生長，在900-1500℃的溫度下和120-220托的總壓，N2/CH4＝0.2-5.0％，CH4/H2＝12-20％的氣氛中，在CVD室中從微波誘導的等離子體生長單晶金剛石。拉曼光譜顯示了在＜950℃和＞1400℃下產生褐色金剛石的少量的氫化無定形碳(a-C:H)4和含氮a-C:H(N:a-C:H)4。光致發光(PL)光譜顯示了氮-空位(N-V)雜質。以比傳統的多晶CVD生長法高兩個數量級的生長速率已制造了厚度高達4.5mm的單晶金剛石。
圖1是測試金剛石硬度和斷裂韌性的壓頭的圖。用圖1所示的壓頭1在微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石上進行維氏硬度和斷裂韌性試驗。圖1中的壓頭1具有安裝在底座3上的沖擊材料2。沖擊材料2可以是碳化硅、金剛石或者一些其它的堅硬材料。沖擊材料的一面具有錐形維氏壓頭的形狀，其中錐形維氏壓頭形狀側的角度為136°。
壓頭向試驗金剛石2施加點載荷，直至在試驗金剛石2中形成壓痕或裂紋。為了防止壓頭的彈性變形，載荷在{100}面上沿試驗金剛石的<100>方向在1至3kg之間變化。圖2是在微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石上產生的壓痕的照片。通過光學顯微鏡測量壓痕以及與壓痕相關的裂紋的尺寸。
通過測量壓痕的長度D和高度h，可以從以下的方程式(1)確定試驗金剛石的硬度Hv(1)Hv＝1.854×P/D2P是壓頭上使用的在試驗金剛石上形成壓痕的最大載荷。D是壓頭在試驗金剛石中形成的最長裂紋的長度，h是在試驗金剛石中壓痕的深度，如圖1所示。
通過在以下的方程式(2)中使用自方程式(1)得到的硬度Hv，可以確定試驗金剛石的斷裂韌性Kc(2)Kc＝(0.016+0.004)(E/Hv)1/2(P/C3/2)E是楊氏模量，假定為1000GPa。P是壓頭上使用的在試驗金剛石上形成壓痕的最大載荷。d項是試驗金剛石中壓痕凹槽的平均長度，如圖2所示，使d＝(d1+d2)/2。c項是試驗金剛石中徑向裂紋的平均長度，如圖2所示，使c＝(c1+c2)/2。
圖3的圖片顯示了微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石與IIa型天然金剛石相比的硬度和韌性。圖3所示的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石在大約1300℃的溫度下生長，以達到高的生長速率。如圖3所示，微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石相對于天然IIa金剛石具有高得多的6-18MPa m1/2的斷裂韌性。大多數微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石的斷裂韌性高于IIa型天然金剛石的斷裂韌性的報道范圍，如圖3中的虛線框10所示，并高于多晶CVD金剛石斷裂韌性的報道范圍，如圖3中的虛線框20所示。圖3中代表的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石的斷裂韌性為11-18MPa m1/2，硬度為50-90GPa。
圖3中代表的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石在斷裂韌性上的差別多少顯得與處理溫度有關。因此，本發明人在特定的處理溫度范圍內生長了另外的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石。換句話說，將晶種金剛石置于夾具中并在特定的處理溫度范圍內生長單晶金剛石。然后使這些另外的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石經受相同的硬度和斷裂韌性測試。
圖4的圖片顯示了不同溫度下形成的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石與IIa型天然金剛石相比的硬度和韌性。更具體地，圖4顯示了分別在1300℃以上、1150℃-1250℃和1000℃-1100℃的溫度下形成的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石的硬度和韌性。如圖4所示，1000℃-1100℃下生長的微波等離子體CVD-生長的單晶金剛石的斷裂韌性為大約18-20MPa my，硬度為60-70GPa。
盡管單晶金剛石的生長速率較慢，但可以制造斷裂韌性為18-20MPa my的單晶金剛石1000℃-1100℃。還沒有報道具有這樣高的斷裂韌性的其它人造或天然的金剛石，。而且，在例如1150℃-1350℃的較高溫度下生長的金剛石可能未必達到高的斷裂韌性，但是趨于有高的硬度，這使得這種金剛石可用于其它用途。
由于不偏離本發明的精神或基本特征可以以若干形式使本發明具體化，應當理解，除非特別指出，上述實施方式并不受任何上文描述的細節所限制，而應當是在如所附權利要求定義的其精神和范圍內的廣泛解釋，因此所有落入權利要求的邊界和范圍或者這種邊界和范圍的等同物之內的變化和修改均包含在所附的權利要求中。
權利要求
1.一種通過微波等離子體化學氣相沉積生長的單晶金剛石，其硬度為50-90GPa，斷裂韌性為11-20MPam1/2。
2.根據權利要求1所述的單品金剛石，其中所述的斷裂韌性為18-20MPam1/2。
3.根據權利要求1所述的單晶金剛石，其中所述硬度為60-70GPa。
4.根據權利要求1所述的單晶金剛石，其中所述硬度通過方程式Hv＝1.854×P/D2確定，其中P是壓頭上使用的在所述單晶金剛石上形成壓痕的最大載荷，D是由所述壓頭在所述單晶金剛石中形成的最長裂紋的長度，h是所述單晶金剛石內壓痕的深度。
5.根據權利要求4所述的單晶金剛石，其中所述單晶金剛石的斷裂韌性Kc通過方程式Kc＝(0.016±0.004)(E/Hv)1/2(P/C3/2)確定，其中E是金剛石的楊氏模量，d是在所述的單晶金剛石中壓痕凹槽的平均長度，c是在所述單晶金剛石中徑向裂紋的平均長度。
6.一種斷裂韌性為18-20MPam1/2的單晶金剛石。
7.根據權利要求6所述的單晶金剛石，其硬度為60-70GPa。
8.根據權利要求6所述的單晶金剛石，其中所述硬度通過方程式Hv＝1.854×P/D2確定，其中P是壓頭上使用的在所述單晶金剛石上形成壓痕的最大載荷，D是由所述壓頭在所述單晶金剛石中形成的最長裂紋的長度，h是在所述單晶金剛石內壓痕的深度。
9.根據權利要求8所述的單晶金剛石，其中所述單晶金剛石的斷裂韌性Kc通過方程式Kc＝(0.016±0.004)(E/Hv)1/2(P/C3/2)確定，其中E是金剛石的楊氏模量，d是在所述單晶金剛石中壓痕凹槽的平均長度，c是在所述單晶金剛石中徑向裂紋的平均長度。
10.一種用于生長單晶金剛石的方法，其包括將晶種金剛石置于夾具中；和在大約1000℃至大約1100℃的溫度下生長單晶金剛石，使所述單晶金剛石的斷裂韌性為11-20MPam1/2。
11.根據權利要求10所述的方法，其中生長單晶金剛石包括微波等離子體化學氣相沉積。
12.根據權利要求10所述的方法，其中生長單晶金剛石在120-220托的總壓下在N2/CH4＝0.2-5.0％和CH4/H2＝12-20％的氣氛中發生。
13.根據權利要求10所述的方法，其中生長單晶金剛石產生硬度為60-70GPa的單晶金剛石。
全文摘要
一種通過微波等離子體化學氣相沉積生長的單晶金剛石的硬度為50－90GPa，斷裂韌性為11－20MPa m
文檔編號G11B27/034GK1823008SQ200480020155
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月14日 優先權日2003年7月14日
發明者R·J·赫姆利, H-K·毛, C-S·嚴 申請人:華盛頓卡內基研究所