Оборудование для выращивания искусственных алмазов

Установка для выращивания алмазов MW-PACVD (химическое газофазное осаждение) Plassys

Установка MV-PACVD SSDR 150 Plassys представляет собой микроволновый плазменный реактор, предназначенный для синтеза алмазной пленки и драгоценных камней. Используя плазму высокой плотности, реактор позволяет получать алмазные пленки высокой чистоты с высокой скоростью роста.

Детальное описание
Тех.характеристики
Документация
Оплата и доставка

Установка MW-PACVD Plassys SSDR 150 для синтеза алмазной пленки

Установка MW-PACVD (химическое газофазное осаждение) SSDR 150 представляет собой микроволновый плазменный реактор CVD (MW-PACVD), предназначенный для синтеза алмазной пленки и драгоценных камней. Этот реактор является результатом сотрудничества между компанией PLASSYS и лабораторией инженерии материалов и высоких давлений Национального научно-исследовательского центра Франции (LIMHP CNRS, Villetaneuse).

Используя плазму высокой плотности, реактор позволяет получать алмазные пленки высокой чистоты с высокой скоростью роста. Благодаря оптимизированной микроволновой и плазменной конструкции реактор SSDR150 представляет собой прочное и надежное в работе оборудование, идеально адаптированное к потребностям научно-исследовательских лабораторий. Его легко чистить и менять конфигурацию камер, что делает SSDR150 наиболее пригодным для легирования алмазных пленок.

Особенности и преимущества установки MW-PACVD Plassys SSDR 150

Плазма высокой плотности;
Высокое рабочее давление, до 300 мбар или более;
Микроволновый генератор 6 кВт (опционально-импульсный источник);
Четыре газовые линии (дополнительные линии по запросу);
Держатель подложки 2″ (50 мм);
Автоматическое выравнивание высоты держателя подложки во время выращивания (опция);
Легкая загрузка/выгрузка подложки;
Бихроматический ИК-пирометр (475 – 1475 °C);
Турбомолекулярный насос + сухой форвакуумный насос;
Базовое давление в реакторе: 5×10 -7 мбар;
Полностью автоматизированный процесс;
Низкие эксплуатационные расходы.

Выращивание алмаза MW-PACVD

CVD алмазы для применения в электронике (CVD – химическое газофазное осаждение);
Высокие скорости роста;
Легирование азотом или бором;
Выращивание монокристаллов (для электронной и ювелирной промышленности) и поликристаллов;
Источник СВЧ 2.45 ГГц– 6 кВт.

Производительность реактора SSDR150

Поликристаллические алмазы

Отсутствие азотных включений в фотолюминесцентном анализе при температуре жидкого азота.

Монокристаллический алмаз

Отсутствие азотных дефектов в фотолюминесцентном анализе при температуре жидкого азота;
Низкая концентрация примесного азота [N_S 0 ]≤1 ppb (измерено методом электронного парамагнитного резонанса EPR);
Параметр FWHM (анг. full width at half maximum – полная ширина/половина от максимума) линии комбинационного («Романовского») рассеивания алмаза 1332 см -1 : 1,6 см -1 ;
Отсутствие поглощения инфракрасного излучения от 4000 до 10000 см -1 ;
Скорость роста до 10 мкм/час, в зависимости от условий роста.

Статьи о методике выращивания алмазов с помощью системы MW-PACVD

Популярные статьи от престижных учреждений, которые применяют системы MW-PACVD для выращивания алмазов:

Источник

Свойства и методы производства искусственных алмазов

Минералы и полезные ископаемые имеют свойство заканчиваться в недрах земли. Но у людей есть потребность в использовании различных минералов, в том числе и алмазов. Поэтому с развитием технологий начинается разработка и переход на искусственную добычу камней. Искусственные алмазы практически ничем не отличаются на сегодняшний день от натуральных минералов. По виду камни сложно отличить даже геммологам, что свидетельствует о высоком уровне сходства.

Ценные свойства алмаза

Конечно, даже развитие аппаратуры и технологий еще не стало причиной полного перехода от природных камней на синтетические алмазы. Пока компании по выращиванию алмазов в лабораториях руководствуются принципом «два из трех»:

Два из трех критериев выбирается в процессе, но пока предел или идеал не достигнут, ученым есть к чему стремиться.

Большинство людей видят в магазинах алмазы уже в обработанном виде в качестве бриллиантов. Камни оправляются в драгметаллы и выступают в роли дорогостоящих украшений.

По химическому составу бриллиант является углеродом с особым строением кристаллической решетки. Происхождение минералов точно не известно. Существует даже теория космического происхождения алмазов. Наверное, поэтому сложно полностью повторить или воссоздать картину образования камня в лаборатории.

Первые попытки синтезировать камень начались после исследования структуры алмаза — она очень плотная, кристаллическая решетка состоит из атомов, соединенных ковалентными сигма-связами. Разрушить эти соединения легче, чем их сформировать.

Несмотря на то что бриллиант является украшением номер один, камень используется во многих сферах, помимо ювелирного дела. Именно этот фактор и натолкнул ученых на синтез искусственных камней. А еще алмаз имеет уникальные характеристики с точки зрения химии и физики:

Самая высокая твердость (10 из 10 по шкале Мооса). Даже состав сплава стали не настолько твердый, как алмаз.
Температура плавления вещества 800-1000 градусов Цельсия с доступом кислорода и до 4000 градусов Цельсия без доступа кислорода, с дальнейшим превращением алмаза в графит.
Алмаз используется в качестве диэлектрика.
У минерала самая высокая теплопроводность.
Камень обладает люминесценцией.
Минерал не растворяется в кислоте.

Выход на рынок синтетических алмазов может случиться в один момент и стать неожиданностью. Алмазная индустрия претерпит изменения, уменьшатся объемы продаж. Из камня начнут изготавливать полупроводники. Из-за высокой температуры плавления, полупроводники из алмаза можно разогревать до больших показателей, чем кремний. При температурах около 1000 градусов Цельсия кремний в микросхемах начинает плавиться и отключается, а алмаз продолжает работать.

Искусственный алмаз — действительно полезная вещь в науке и производстве. Среди ученых, которые занимаются синтезом алмазов для промышленности распространена такая поговорка: «Если ничего нельзя сделать из алмаза, сделайте из него бриллиант».

Методики создания вещества

Первые попытки получить алмаз искусственный начались еще в конце XVIII века, когда стало известно о составе камня, но технологии не позволяли воссоздать нужную температуру и давление для образования минерала. Только в пятидесятых годах XX века попытки синтеза вещества увенчались успехом. Среди стран, выращивающих алмазы, были США, ЮАР, Россия.

Оборудование для создания искусственных алмазов

Первые синтетические алмазы были далеки от идеала, но сегодня камни практически неотличимы от природных алмазов. Процесс выращивания является трудоемким и материально затратным. Существует несколько вариантов и форм синтеза алмаза:

Способ получения HPHT-алмазов. Эта методика близка к природным условиям. При ней необходимо соблюдать температуру 1400 градусов Цельсия и давление в 55000 атмосфер. В производстве используются затравочные алмазы, которые кладут на пласт из графита. Размер затравочных камней до 0,5 миллиметров в диаметре. Все компоненты размещают в специальном устройстве, напоминающем автоклав в определенном порядке. Сначала располагается основа с затравкой, потом идет сплав металла, который является катализатором, затем прессованный графит. Под воздействием температур и давления ковалентные пи-связи графита преобразуются в сигма-связи алмаза. Металл в процессе плавится, и графит оседает на затравку. Синтез продолжается от 4 до 10 дней, все зависит от требуемых размеров камня. Весь потенциал методики не раскрыт, и не все ученые доверяли этой технологии, пока не увидели созданные крупные кристаллы ювелирного качества. Огранка у полученных камней одинаковая.
Синтез CVD-алмазов. Аббревиатура расшифровывается, как «осаждение из пара». Второе название процедуры — пленочный синтез. Технология более старая и проверенная, чем HPHT-производство. Именно она создает промышленные алмазы, которые можно использовать даже для лезвий в микрохирургии. По технологии также нужна подложка, на которую помещается алмазная затравка и все это располагается в специальных камерах. В таких камерах создаются вакуумные условия, после чего пространство заполняется газами водорода и метана. Газы разогреваются с помощью СВЧ-лучей до температуры 3000 градусов Цельсия, и углерод, который был в метане, оседает на основу, которая остается холодной. Синтетический алмаз, созданный по этой технологии, получается более чистым, без примесей азота. Эта методика напугала большинство концернов, добывающих камень в природе, поскольку она способна дать чистый и большой кристалл. Такой камень практически не будет иметь металлических примесей и его сложнее будет отличить от натурального. Алмазы, полученные по этой технологии, можно будет использовать в компьютерах в качестве полупроводника вместо кремниевых пластин. Но для этого необходимо усовершенствовать методику выращивания, поскольку пока размеры получаемых алмазов ограничены. Сегодня параметры пластин доходят до отметки 1 сантиметр, но через 5 лет планируется достижение планки в 10 сантиметров. А стоимость карата такого вещества не будет превышать 5 долларов.
Способ взрывного синтеза — одна из последних задумок ученых, позволяющих получить искусственный алмаз. Методика дает возможность получить искусственный камень за счет детонации взрывчатых веществ и последующего охлаждения после взрыва. Кристаллы в результате получаются мелкие, но способ приближен к естественному образованию минералов.

А еще недавно возникло направление, позволяющее создавать мемориальные алмазы. Эта тенденция позволяет увековечить память о человеке в камне. Для этого тело после смерти поддается кремации, а из праха изготавливается графит. Далее графит используется в одном из способов синтеза алмазов. Так, камень содержит в себе останки тела человека.

Поскольку все способы дорогостоящие, нередко в ювелирном деле используют не искусственные вещества, а подделки или другие разновидности камня. Стекляшка среди алмазов — самая дешевая и устаревшая практика. На сегодняшний день она неудачная, поскольку распознать подлинник от подделки можно легко — достаточно царапнуть камень или посмотреть на игру света. Чаще всего в качестве бриллиантов продают фианиты.

Перспектива развития синтеза алмаза

Будущее синтетического алмаза начинается именно сегодня. Искусственный минерал стал символом времени, и вскоре у людей появится доступ к недорогим и красивым изделиям. Но пока технологии находятся на стадии развития и совершенствования. Например, лаборатория в Москве способна выращивать по вышеперечисленным технологиям до 1 килограмма алмазов в год. Конечно, этого мало для обеспечения потребностей промышленности. Дальнейшие обработки добываемых камней также требуют времени и оборудования.

Поэтому пока добыча алмазов ведется традиционными способами, и никто не отказывается от разработки новых месторождений, открытия кимберлитовых трубок. Как только появилось производство искусственных алмазов, компания De Beers — практически монополия на рынке алмазов — начала переживать о своем бизнесе. Годовой оборот концерна составляет до 7 миллиардов долларов в год. Но пока синтетические камни не являются конкурентами натуральным алмазам, а их доля на рынке достигает всего 10%.

А еще, вместе с синтезом, развивалась и геммология, которая позволяет рассказать о происхождении камня. Синтетические алмазы можно легко отличить от натуральных. В качестве признаков выделяют:

включения металлов в камнях из лаборатории;
секторы роста, которые определяются в цветных алмазах;
разный характер люминесценции алмазов.

Технологии и знания ученых совершенствуются с каждым днем. Процесс запущен, над ним работают специалисты. В скором времени мир увидит результаты и, возможно, даже откажется от традиционной добычи алмазов из недр земли.

Источник

Как и где выращивают крупнейшие в мире алмазы

Самые крупные и качественные искусственные алмазы выращивают сегодня в окрестностях Сестрорецка, по соседству с Санкт-Петербургом. О российской компании NDT и о том, как рождаются на свет лучшие друзья девушек мы расскажем в нашей сегодняшней публикации.

Сертификат на рекордный по размеру синтетический бриллиант массой в 10.02 карата, цвета Е и чистоты VS1 был выдан Международным геммологическим институтом Гонконга (IGI) российской компании New Diamond Technology (NDT). Драгоценные камни с такими характеристиками для ювелирного мира — явление достаточно тривиальное, а вот искусственный камень, ограненный из 32-каратного синтетического алмаза — это для рынка синтетических алмазов событие, и событие уникальное.

Производство, на котором удалось вырастить рекордный кристалл сосредоточено в небольшом цеху в одном из технопарков неподалеку от Сестрорецка. Мощности предприятия ограничены тремя с лишним десятками гидравлических прессов, внутри которых, в условиях высоких температур и давлений, микрон за микроном растут алмазы высочайшего качества. На пультах управления контроллеров у каждого пресса отражаются текущие параметры. «Общие принципы синтеза алмазов хорошо известны и используются в промышленности уже более полувека. А вот детали режимов синтеза — одно из ноу-хау нашей компании» — поделился директор по производству Роман Колядин. «… Прецизионные кондиционеры поддерживают микроклимат в цеху с точностью до десятых долей градуса. При этом даже небольшой сквозняк может повлечь за собой нежелательное отклонение в температурном режиме, что может существенно ухудшить качество алмаза» — добавляет специалист.

Краткий экскурс в историю

Первые попытки синтезировать искусственный алмаз предпринимались еще в конце XVIII века, когда ученые пришли к окончательному выводу, что основой алмаза является углерод. С конца XIX века ученые попытались превратить дешевые и доступные формы углерода (уголь или графит) в твердый и блестящий алмаз. Заявления о достигнутом успехе делали многие, включая известных ученых, в числе которых французский химик Анри Муассан и британский физик Уильям Крукс. Несколько позднее было установлено, что предъявить реальные свидетельства полученного результата никто из них так и не смог. Первый искусственный алмаз, предъявленный миру, был получен в 1954 году в лаборатории компании General Electric.

Интересно, что в процессе получения синтетического алмаза в GE руководствовались «технологией», которую использует сама природа. Как рассуждали специалисты, натуральные алмазы образуются при температуре порядка 1300°С и давлении порядка 50 000 атм. в толще мантии планеты на глубине сотен километров под поверхностью Земли. На поверхность кристаллы выносят лампроиты, кимберлиты и прочие магматические породы. Для имитации описанных условий в лабораторных условиях специалисты GE использовали пресс, обжимающий ячейку, внутри которой был помещен графит и железо-никелево-кобальтовый расплав, выступающий в роли катализатора и растворителя.

Свою технологию специалисты GE назвали HPHT (High Pressure High Temperature — высокое давление, высокая температура). Со временем именно она была взята за основу при получении недорогих технических алмазов и алмазного порошка.

Как выращивают алмазы сегодня

Промышленное производство синтетических алмазов сегодня ведется преимущественно по одной из двух технологий — это вышеупомянутая технология HPHT и технология CVD. Менее употребимы экзотические методики, такие как синтез нанокристаллов алмаза из графита при взрыве или экспериментальный метод получения микронных алмазов из суспензии частиц графита в органических растворителях под воздействием ультразвуковой кавитации.

Технология сводится к процессу выращивания монокристаллов алмаза при высокой температуре (около 1500 °C, с нужным градиентом) и высоком давлении (50−70 тыс. атм.). Гидравлический пресс обжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав (железо, никель, кобальт и др.) и графит. На подложке размещается одна или несколько затравок — небольших кристаллов алмаза. Сквозь камеру протекает электрический ток, разогревающий расплав до нужной температуры. В этих условиях металл служит растворителем и катализатором процесса кристаллизации углерода на затравке в форме алмаза. Процесс выращивания одного крупного или нескольких более мелких кристаллов длится, в среднем, 12−13 суток.

Объемы промышленного производства искусственных алмазов и алмазной пыли сегодня достигает миллиарды карат в год. В 1970-х используя технологию HPHT научились изготавливать и ювелирные камни среднего качества весом до 1 карата.

Начиная с 1960-х годов ведущие лаборатории мира совершенствуют альтернативную менее затратную технологию синтеза алмазов — CVD (Chemical Vapor Deposition, осаждение из газовой фазы). В процессе синтеза алмазы осаждаются на подложку, подогреваемую до 600−700°С из углеводородного газа, который ионизируется с помощью СВЧ-излучения или разогревается до высоких температур. При осаждении на кремний или поликристаллический алмаз получается поликристаллическая пластина, имеющая ограниченное применение в электронике и оптике. Скорость роста — от 0,1 до 100 мкм/ч. Толщина пластин обычно ограничена 2−3 мм, поэтому вырезанные из нее алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но их размер, как правило, не превышает 1 карата.

Возможности этого метода синтеза в начале 2000-х привлекли большое внимание как небольших стартапов, так и крупных компаний, таких как Element Six, входящей в промышленную группу De Beers.

Потенциал метода HPHT до последнего времени оставался сильно недооцененным. «Когда мы несколько лет назад покупали оборудование, нам все в одни голос говорили, что промышленные прессы пригодны разве что для синтеза алмазных порошков», — говорит Николай Хихинашвили. Все внимание и ресурсы были сосредоточены главным образом на совершенствовании метода CVD. В то же время технология HPHT считалась нишевой, поскольку подавляющее большинство специалистов просто не верили, что с ее помощью можно выращивать достаточно крупные и качественные кристаллы. И, тем не менее, по словам Николая, специалистам компании NDT удалось предложить собственную технологию синтеза, позволяющую получать алмазы такого качества и размеров, которые до этого момента удавалось достичь только работая с натуральными кристаллами. Что касается технологий огранки, то выращенные в лаборатории, и природные алмазы обрабатываются совершенно одинаково.

Лучшие друзья девушек

«Мы, конечно, не единственные, кто выращивает алмазы крупнее 5−6 карат, — делится Николай. — Но абсолютно все компании сегодня подчиняются принципу «два из трех»: крупные, качественные, коммерчески выгодные. Наша компания первой освоила технологию, позволяющую получать крупные кристаллы алмаза высокого качества по приемлемой стоимости. 32 пресса позволяют нам вырастить около 3000 карат в месяц, и при этом все камни очень высокого качества — алмазы цветовых категорий D, E, F и чистоты от чистейших IF до SI, в основном типа II. 80% нашей продукции составляют ювелирные алмазы массой от 0,5 до 1,5 карата, хотя технологические возможности позволяют вырастить под заказ алмаз любых размеров». В доказательство сказанного Николай продемонстрировал журналистам кристалл размером с 10-рублевую монету: «Вот этот, к примеру, 28 карат. После огранки получится бриллиант карат в 15».

С начала 2000-х мировой алмазный монополист, концерн De Beers, высказывал опасения в связи с перспективой выхода на ювелирный рынок синтетических алмазов, которые, по убеждению руководства, могли бы подорвать его бизнес. Но, как показало время, синтетические алмазы не конкуренты натуральным камням, поскольку занимают в сравнении ничтожно малую долю ювелирного рынка. Кроме того, за время совершенствования технологий их производства были разработаны методы исследований, позволяющие достаточно уверенно и точно идентифицировать синтетические алмазы. В числе характерных признаков синтеза следует назвать включения металла, а в цветных алмазах — легко определяемые секторы роста. Кроме того, искусственные камни, полученные при помощи технологий HPHT, CVD в сравнении с натуральными природными алмазами в УФ-лучах имеют разный характер люминесценции.

«Как относятся потребители к выращенным алмазам? Вполне благосклонно, — говорит Николай, — особенно современная молодежь, для которой оказывается важно, что эти алмазы бесконфликтны и созданы людьми с помощью высоких технологий без вмешательства в природу. Ну и, что немаловажно, стоимость таких камней примерно вдвое ниже. Разумеется, в сертификате должно быть отражено, что камни выращены, но ясно, что обладательнице кольца с таким бриллиантом не потребуется носить с собой сертификат! В то же время и по физическим, и химическим свойствам алмазы, выращенные в лаборатории NDT, идентичны природным» — резюмировал специалист.

Что общего между алмазом и азотом

В зависимости от содержания азота алмазы могут быть отнесены к одному из двух основных типов. Алмазы типа I включают в свой состав до 0,2% азота, атомы которого расположены в узлах кристаллической решетки группами (Ia) или по одиночке (Ib). Алмазы именно этого типа преобладают среди природных алмазов (98%). Чаще всего такие камни не бывают бесцветными. Алмазы типа IIa практически не содержат азота (менее 0,001%). Такие кристаллы в царстве природных минералов — редкость, всего 1,8%. Практически не встречаются (в 0,2% случаев) безазотные алмазы с примесью бора (IIb). Атомы бора в узлах кристаллической решетки обуславливают их электропроводность и придают алмазам голубоватый оттенок.

Алмазы в промышленном производстве

Ювелирные алмазы — весьма прибыльный бизнес для NDT и подобных компаний, но уже сегодня отчетливо прослеживается другой, более приоритетный и, по всей вероятности, долгосрочный тренд. Технический директор NDT Александр Колядин любит повторять: «Если из алмаза изготовить уже ничего больше нельзя, сделай бриллиант». В действительности наиболее перспективным направлением рынка крупных высококачественных синтетических алмазов можно с уверенностью назвать промышленность. «Ни один природный алмаз не может быть использован в специальной оптике или электронике, — говорит Александр Колядин, — поскольку в них изначально слишком много дефектов. А вот пластины, вырезанные из алмазов нашего производства, располагают почти идеальной кристаллической решеткой. Поэтому некоторые исследовательские организации, которым мы предоставляем наши образцы для изучения, с трудом верят в полученные результаты измерений — настолько близки они к идеальным. При этом удается достичь еще одного существенного результата — обеспечить повторяемость характеристик, что для ряда промышленных направлений оказывается принципиально важно. Алмазы — это своего рода теплоотводы, окна для специальной оптики и синхротронов, это силовая микроэлектроника, над созданием и совершенствованием которой сейчас работают во всем мире».

Львиную долю доходной части бюджета компании пока обеспечивают ювелирные алмазы. Вместе с тем, складывающиеся тенденции позволяют предположить, что уже в ближайшие годы спрос на синтетические алмазы и алмазные пластины для специальной оптики, микроэлектроники и других высокотехнологичных промышленных сфер возрастет в прогрессии.

«Промышленное направление пока составляет 20% нашего производства, но года через три мы планируем довести его до 50%, тем более что спрос быстро растет. Сейчас мы в основном делаем пластины 4 х 4 и 5 х 5 мм, вырезали по заказу несколько 7 х 7 и 8 х 8 мм и даже 10 х 10 мм, но говорить о массовом производстве пока преждевременно. Наша очередная цель, — говорит Николай Хихинашвили, — переход к изготовлению дюймовых алмазных пластин. Это тот «золотой размер» и необходимый минимум, который очень востребован в массовой электронной и оптической промышленности. И для получения таких пластин потребуется вырастить кристалл алмаза массой в сто карат». Предоставить первые «прототипы» таких пластин в NDT планируют уже к концу текущего года.

На этом всё, с вами был простой сервис для выбора сложной техники Dronk.Ru. Не забывайте подписываться на наш блог, будет ещё много интересного.

Спонсор поста кэшбэк-сервис LetyShops. Возвращайте деньги за любые покупки в интернете. Подробнее о том что такое кэшбэк-сервис читайте в нашей статье Выбираем кэшбэк-сервис на 6-летие Алиэкспресс

Источник