知識コラム

ダイヤモンド合成法 ダイヤモンドは、気相法（PVDやCVDなど）、液相法（静水圧法、触媒法、CVD液相法など）、固相法によって合成することができる。 固相法とは、流体のない物質中でダイヤモンドを合成する方法である。 固相状態の炭素原子は、流体中を拡散してダイヤモンドの構造を再構成することができず、触媒作用なしに直接ダイヤモンドに変換されなければならない。この相転移は、原子が分解・再編成される再構成型の相転移とは大きく異なる、置換型の相転移である。原子が拡散したり再結合したりする必要がないため、変位相変化は非常に速く起こる。 合成時間が短いため、静圧下での容量性放電や、爆発物から発生する高電圧と高温の短時間のバーストによって、瞬時（数マイクロ秒）に合成することができる。前者は高圧室の容積に制限があり、実用的でないため、工業用ダイヤモンドパウダーは爆発によって大量生産される。 爆発方法の種類 高圧を発生する火薬を原料として直接合成する方法と、衝撃波による高圧を利用して黒鉛をダイヤモンドに変換する方法がある。爆薬が爆発してガス化すると、残った炭素や他の元素の原子が互いに衝突し、ナノメートル単位（3～10nm）のスラグ（爆轟煤）を形成する。このスラグにはダイヤモンドライクカーボン（DLC）が含まれている。このプロセスはPVD法と似ている。 前者は、大量の炭素原子がガス爆発によって互いにぶつかり合い、ナノ粒子を形成するプロセスであり、後者は、気化した炭素イオンが電界によって基板に連続的にぶつかり、ナノ粒子の組み合わせの薄膜を形成するプロセスである。 爆発物の合成 爆薬法に使用される爆薬は、炭素が多く、酸素やその他の不純物が少ないものでなければならない（TNT、RDX、HMXなど）。酸素のない密閉室内でこの種の爆薬を爆発させると、残留炭素は瞬時に圧縮されてスラグとなり、これは不純物や欠陥を多く（約10％）含むダイヤモンド状の炭素である。粒子が極めて小さいため（例えば411m）。 比表面積が極めて高い（例えば300 M2 / g）ため、不純物を多量に吸着する。 比表面積が極めて大きい（例えば300 M2 / g）ため、不純物を多量に吸着する。 爆薬の爆発後のダイヤモンドへの変換率が低く、ナノダイヤモンドの洗浄とグレーディングのコストが高いため、この製品は、精密研磨、エンジンピストン表面の硬化、PVDD/CVDD結晶化などの特定の用途にのみ使用されている。 価格が高いため（例えば3カラット）、現在市場ではあまり需要がない。 超音速衝撃波 もうひとつの爆発方法は、間接的に超音速の衝撃波をグラファイトに当て、グラファイトを瞬時にミクロンサイズのダイヤモンドに変えるというものだ。この衝撃合成法は、1960年に爆薬を製造しているアメリカのデュポン社が実験に成功し、1970年代から量産されるようになった。グラファイトは銅粉（92％、1mm）と混合され、静水圧プレス（CIP）によって長さ約5メートルの丸棒にされる。丸棒は真空バリアを含む鋼管で密閉されている。爆発に先立ち、数本の鋼管が一括して坑内に置かれ、その周囲に数トンの爆薬が充填された。 爆薬に一端から点火すると、起爆によって鋼管は一瞬のうちに一端から他端まで圧迫され、衝撃波が通過する際に鋼管内の黒鉛は短時間で約20万気圧まで加圧され、摂氏1000度以上に加熱される。非常に高い圧力のため、ダイヤモンドが大量に核生成し、数マイクロ秒以内にグラファイトの一部が約1～20ナノメートルのダイヤモンド微結晶（数千～数百万個の原子を含む）に変化する。これらの微結晶が結合して、ミクロンサイズのダイヤモンド・ダストが形成される。 こうして一度に数キログラムのダイヤモンド・パウダーを作ることができる。 衝撃波の通過後、圧力は急激に低下する。温度が高いままだと、ダイヤモンドはすぐにアモルファスカーボンスラグになってしまう。 グラファイトにはヒートシンクとして多数の銅粒子が混合されているため、得られたダイヤモンドパウダーは急速に急冷され、炭化を避けることができる。このダイヤモンドマイクロパウダーは、金属を溶解するために何度も酸洗浄にかけられ、その後、グラファイトは400℃でPbOで酸化される。その後、製品は洗浄され、マイポレックスのブランド名で製品を生産するために等級付けされる。 原料の衝撃波合成法はまず冷間静水圧処理をしなければならないので、密度が高い。 もし気孔が多ければ、衝撃波の圧縮圧力は十分ではなく、温度は高すぎて、ダイヤモンドの安定領域に達することができないので、ダイヤモンドを合成するのは難しい。マイポレックス・ダイヤモンドは、欠陥の多い多結晶体です。 そのため、同じ粒径を砕いて研磨した単結晶に比べて比表面積が約3倍と大きく、不純物を多く吸着する可能性があります。 しかし、単結晶ダイヤモンドによく見られる鋭い角がなく、ジャガイモのような形状をしているため、研磨時に基板を傷つけることはありません。硬いワークと柔らかいワークを交互に研磨しても、水溜りが発生しません。 特に、多結晶マイクロパウダーを徐々に崩壊させることができ、切削点での接触面積を減少させることができる。 この自己研磨特性により、研磨力は低下するが、研磨レートは向上する。 このように多結晶粉末は、大粒径研磨の効率と小粒径研磨の品質を兼ね備えている。 ダイヤモンドに直接変換されるグラファイト構造は、六方晶（Hexagonal）または菱形晶（Rho-mbohedral）でなければ機能しない。前者はAAAに分類され、六方晶ダイヤモンド（ロンズダライト）に変換することができ、後者はABCに分類され、立方晶ダイヤモンドに形成することができる。黒鉛の大部分はABAに分別されるため、直接ダイヤモンドに変換することはできない。 しかし、少量（10％）の菱形黒鉛も含まれている。衝撃波合成法で製造されるダイヤモンドの変換率が低いのは、菱形黒鉛の量によって制限されるからである。 転化率の低さと、マイクロパウダーの複雑な酸洗いとグレーディングのため、爆砕法で製造されるダイヤモンドのコストは高く、一般に、粉砕して粉砕した単結晶ダイヤモンドマイクロパウダーのコストの4倍以上である。そのため、爆砕法で作られた多結晶ダイヤモンドは、被加工物に傷をつけることなく高速で研磨することができるが、現在のところ、ハードディスクのパターンを削り出したり、磁気ヘッドの表面を平滑にしたりするような精密研磨や、宝石やウェハーなどの高額研磨にしか使用されていない。 世界の年間消費量は約1トン、生産額は約1,000万ドルである。