JPH01246116A - 針状,繊維状,多孔質状ダイヤモンドまたはそれらの集合体の製造法 - Google Patents

針状,繊維状,多孔質状ダイヤモンドまたはそれらの集合体の製造法

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JPH01246116A
JPH01246116A JP63075161A JP7516188A JPH01246116A JP H01246116 A JPH01246116 A JP H01246116A JP 63075161 A JP63075161 A JP 63075161A JP 7516188 A JP7516188 A JP 7516188A JP H01246116 A JPH01246116 A JP H01246116A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は針状、繊維状、多孔質状ダイヤモンドまたはそ
れらの集合体の製造法に関する。
極めて高い硬度、熱伝導度、弾性率、化学的安定性など
の優れた性質をもつダイヤモンドは材料として広い分野
での応用の可能性をもっているが、現実の用途が限られ
ているのは、目的に応じた形態、形状、機能などに十分
対応できる合成技術が未開発であることに主たる原因が
ある。針状、繊維状、多孔質状またはそれらの集合体の
ダイヤモンドが合成されれば、これを骨材とし種々の材
料との組み合わせによる複合材料を合成することによっ
て、高強度、高耐摩耗性、高熱伝導性など、機械的、熱
的に優れた性質をもつ材料として多くの分野への利用が
可能となる。
従来技術 従来、針状あるいは繊維状ダイヤモンドを合成する方法
として、本出願人が開発した化学気相法あるいはプラズ
マ化学気相法において、鉄、ニッケル等の遷移金属粉末
を利用する方法がある。これは、炭化水素と水素の混合
ガスを加熱されたフィラメント、高周波プラズマあるい
はマイクロ波プラズマによって励起、解離を行い、遷移
金属粉末を付着させた基板上に針状あるいは繊維状ダイ
ヤモンドを析出させる方法である(特開昭62−158
195号公報)。これ以外には知られていない。
また、多孔質状ダイヤモンドの製造法は知られていない
発明が解決しようとする課題 本発明は前記従来法とは基本的に原理を異にする方法に
よって、針状、繊維状、多孔質状ダイヤモンドまたはそ
の集合体を容易に且つ効率よく製造する方法を提供する
ことを目的とする。
課題を解決するための手段 本発明者らは、プラズマ化学気相法または化学気相法に
よって異なった条件下で生成するダイヤモンドの形態、
構造、組織、結晶粒界などについて詳細に調べた結果、
得られるダイヤモンドの形態、組織はその合成条件によ
って、l)典型的な柱状組織あるいは結晶子が一方向に
伸長した配向性をもつ多結晶体あるいは膜、2)ダイヤ
モンドに固有の典型的な形状をもつ単結晶、ならびに結
晶子が無秩序に配列した組織をもつ多結晶体あるいは膜
、3)これらの中間的特徴をもった多結晶体あるいは膜
、に大別されることが明らかになった。このような構造
、組織を持つダイヤモンドを、各種ガス、試薬の気流中
でプラズマ処理または熱酸化処理すると、ガス、試薬に
よりエツチングされ、前記1)の場合には針状ないし繊
維状ダイヤモンドが、2)の場合には多孔質状のダイヤ
モンドが容易に且つ効率よく得られる新しい知見を得た
。これらの知見に基づいて本発明を完成するに至ったも
のである。
本発明の要旨は、 プラズマ化学気相法あるいは化学気相法によって合成さ
れたダイヤモンドまたはその膜を、酸素、二酸化炭素、
水蒸気、水素、ハロゲン化炭化水素、あるいはハロゲン
化炭素を含んだ気流中でプラズマ処理するか、または酸
素、二酸化炭素、あるいは水蒸気を含んだ気流中で熱酸
化処理することによってエツチングすることを特徴とす
る針状、繊維状、多孔質状ダイヤモンドまたはそれらの
集合体の製造法にある。本発明の方法において使用する
ダイヤモンドは、プラズマ化学気相法あるいは化学気相
法によって合成されたものであることが必要で、天然産
のダイヤモンド単結晶あるいは金属触媒を用いた高圧法
によって合成されたダイヤモンド単結晶では本発明の目
的とする効果は得られない。
プラズマ化学気相法としては、例えばマイクロ波、高周
波あるいは直流による放電によって、炭化水素、−酸化
炭素、あるいはアルコール、アセトン等の炭素を含むガ
スと水素の混合ガスから成、る原料ガスをプラズマ化し
、シリコン、モリブデン、タンタルなどの各種基板上に
ダイヤモンドを析出させる方法がある。
化学気相法としては、例えばタングステン、タンタル線
などで捲いたコイルを通電によって2000°C前後の
高温に加熱し、これによって炭化水素、−酸化炭素、あ
るいはアルコール、アセトン等の炭素を含むガスと水素
の混合ガスから成る原料ガスを解離、励起し、シリコン
、モリブデン、タンタルなどの各種基板上にダイヤモン
ドを析出させるものである。また、この方法において、
加熱されたタングステン線と基板との間に電位差をつけ
た方法、原料ガスをレーザー光あるいは紫外線などの光
で解離、励起する光化学的な化学気相法がある。しかし
、前記方法に限定されるものではなく、プラズマ化学気
相法または化学気相法によって合成された柱状組織ある
いは結晶子が一方向に伸長した配向性を有するダイヤモ
ンド多結晶体またはその膜であれば、針状、繊維状ダイ
ヤモンドの原料として、また4プラズマ化学気相法ま゛
・たは化学気相法によって合成された単結晶及び無゛秩
序に並んだ結晶子からなる多結晶体あるいは膜 〜であ
れば多孔質状ダイヤモンドの原料となり得る。
ダイヤモンドの形態、構造、組織は走査型電子顕微鏡な
どで観察することにより確かめ得る。プラズマ化学気相
法によるこれらの合成には、エツチング処理に用いる第
1図及び第2図に示す装置が使用し得る。
エツチングする方法としては、プラズマを用いる方法と
熱を用いて酸化する方法がある。プラズマを用いる場合
は、気流中に酸素、二酸化炭素、水蒸気、水素、ハロゲ
ン化炭化水素、ハロゲン化炭素を含ませてプラズマ処理
する。
プラズマ処理する装置としては、例えば第1図及び第2
図に示した装置が挙げられる。第1図はマイクロ波(2
450MHz)を励起源としたもので、図中、1はガス
供給装置、2は圧力計、3はマイクロ波発振機、4は導
波管、5は反応室、6は基板、7は基板支持台、8は排
気装置を示す。基板6上に処理原料のダイヤモンドを置
き、反応室5内にガス供給装置1より前記エツチング用
反応ガスを供給しながら、排気装置8を作動することに
よって所望圧とし、マイクロ波発振機3よりマイクロ波
を発振して反応室5に導波管4を通して導くことによっ
て行われる。
第2図は高周波(13,5MIIz)を励起源とした装
置である。図中、9は高周波発振機、10はワークコイ
ルで、他は第1図と同様である。その操作もマイクロ波
発振機に代え高周波発振機9を用いたのみで他は第1図
における場合と同様である。
プラズマ処理は減圧下で行うことが望ましい。
圧力が高い場合にはプラズマ状態を維持するために、よ
り多くのエネルギーを投入する必要があり、このため、
プラズマのエネルギー密度が高く、これと接触するダイ
ヤモンドの温度が高くなり、エツチング速度が速過ぎた
り、温度の不均質が生じるなど、エツチング処理の制御
が困難となる。針状ダイヤモンド、繊維状ダイヤモンド
を得るには、圧力10””Torrから600 Tor
r、好ましくはl −200Torrで、ダイヤモンド
の温度は室温から1200°C1好ましくは400−1
000’Cである。
プラズマ処理によるエツチング用ガスとして、前記ガス
の中でも酸素が最も活性であり、次いで二酸化炭素、水
蒸気である。これらのガスと希ガスとを混合することに
より、反応速度の制御、ブモンドの温度が、いずれも大
きいほど速くなる。
水素、ハロゲン化炭化水素ガス及びハロゲン化炭素は、
他の材料が共存し、その材料を酸化雰囲気にさらすこと
が望ましくない場合には特に有効である。さらに、用い
る反応性ガスの種類により得られるダイヤモンド表面の
性質が相違してくる。
反応ガスが酸素、二酸化炭素、水蒸気の場合は、得られ
るダイヤモンド表面に酸素を化学吸着し、水素の場合は
水素を、ハロゲン化炭化水素の場合は水素またはハロゲ
ンを、ハロゲン化炭素の場合はハロゲンを化学吸着する
。酸素を化学吸着した表面は親水性を示し、水素、ハロ
ゲン、特にふっ素を化学吸着した表面は強い疎水性を示
す。従って、針状、繊維状あるいは多孔質状ダイヤモン
ドの用途によっては、表面の性質を考慮した、反応ガス
の選択が望ましい。
熱を用いて酸化する方法においては、気流中に酸素、二
酸化炭素あるいは水蒸気を含ませて加熱処理する。その
装置は例えば第3図に示すものが挙げられる。図中、1
1は電気炉または赤外線集中炉で、他は第1図に示した
ものと同様である。その操作は第1図におけるマイクロ
波の導入に代え、電気炉または赤外線集中炉で加熱する
点が異なるのみで、他は同様である。
次に、針状、繊維状ダイヤモンドの場合について、一定
の処理条件の下で、処理時間と共にダイ板上に合成した
厚さ30ミクロン、面積15唾×15鵬の多結晶ダイヤ
モンド膜を用いた。この膜は、直径1−2ミクロンの柱
状あるいは針状結晶が基板に対しほぼ垂直に成長し、互
いに結合した柱状組織をもっていた。エツチング処理の
初期段階では、先ず柱状晶の境界がエツチングを受け、
表面に幅の狭い溝のネントワークが形成される。この溝
は境界に沿って表面に垂直な方向に急速に伸びて行くが
、これに比べ柱状晶がエツチングされる速度ははるかに
遅い。適当な時間で処理を停止するとてパ 表面からほぼ一定の深さザエッチングが停止し、その位
置より基板側では膜状を維持し、表面に向かっては、は
ぼ平行に並んだ直径1−2ミクロンの針状、柱状のダイ
ヤモンドが突き出している針状、柱状ダイヤモンドの集
合体が得られる。このときの形態は、ワイヤブラシある
いは生は花に使用される剣山に類似している。処理を継
続するとエツチングは基板上に達し、長さが膜厚にほぼ
等しく(約30ミクロン)直径1−2ミクロンの針状、
柱状ダイヤモンドが基板上に垂直に並んだ形態となる。
さらに処理を継続すると、針状、柱状ダイヤモンドの径
は次第に細くなり、先端部が尖っていずれも針状となる
が、長さはあまり変わらず、例えば長さ約30ミクロン
、直径約0.2 ミクロンの針状ないし繊維状のダイヤ
モンドが得られる。この針状ダイヤモンドの基板上での
密度は2−8×107本/ cm ”であった。
エツチングが基板面まで達すると、針状ダイヤモンドは
ビンセントなどで軽く触れただけで基板から分離する。
またぶつ酸−硝酸混合液で処理してシリコン基板を除去
すれば、針状ないし繊維状ダイヤモンドはばらばらに分
離する。
このように、処理の条件を調節することにより、ばらば
らに分離した針状ないし繊維状ダイヤモンド、またはそ
れらのダイヤモンドが平行に配列した集合体として得ら
れる。このエツチング処理は、基板を除いた後に行って
もよいことは言うまでもない。
次に多孔質状ダイヤモンドの場合について、−定の処理
条件の下で、処理時間と共にダイヤモンた厚さ20ミク
ロンの多結晶ダイヤモンド膜を出発原料とする。この膜
は主として1−3ミクロンの結晶子が特定の配向性をも
たず無秩序に配列した組織をもっている。処理の初期段
階では、結晶の表面に約0.2 ミクロン以下の細孔が
多数現れる。
処理を継続することにより孔の径は広がり、1ミクロン
以下の細孔が多数できると共に比表面積が太き(なる。
ある限度を越えると孔同志がつながり始め、ダイヤモン
ドが部分的に欠落し比表面積は減少する傾向を示す。柱
状組織をもつダイヤモンドの場合と比較し、結晶粒界と
結晶子のエツチング速度に大きな差がないことが特徴で
あり、細孔はほぼ均一な分布を示す。
前記二つの中間的な場合には、エツチング処理によって
得られるダイヤモンドの形状も中間的特徴をもち、例え
ば、直径13ミクロンの幹と枝を持ち、部分的に細孔を
もつ樹枝状ダイヤモンドが得られる。
発明の効果 本発明の方法によると、針状、繊維状あるいは多孔質状
のダイヤモンド、またはそれらの集合体を容易かつ効率
的に製造することが可能である。
針状ないし繊維状ダイヤモンドはこれを骨材とし、種々
の材料との組み合わせによる複合材料を作ることによっ
て高強度、高耐摩耗性、高熱伝導性、高耐蝕性など、機
械的、熱的、化学的に優れた材料となし得る。また、多
孔質状ダイヤモンドは大きな比表面積を利用し高耐食性
の吸着材として利用できる。
また、基板側においては膜状で、表面側では針状あるい
は柱状のダイヤモンドが林立した構造をもつ集合体は、
表面側から金属を針状あるいは柱状のダイヤモンドの間
隙に侵入させて接着させることにより、基材と強固な接
着力をもつ切削、研磨工具として有効に利用し得る。
実施例 1 マイクロ波を励起源としたプラズマ化学気相法によって
、メタン(3%)−水素混合ガス系より、40Torr
、基板温度850°Cでシリコン基板上に厚さ30ミク
ロンのダイヤモンド膜を成長させた。X線回折、ラマン
分光法、比重測定によってこの膜が僅かに非ダイヤモン
ド構造を含むダイヤモンドであることを確認し、さらに
走査電子顕微鏡による観察から柱状組織をもつことを確
かめた。この膜を第1図に示した装置によって、圧力5
 Torrの酸素プラズマ中、膜温度600°Cで10
分間処理し、長さ約30ミクロン、直径1−2ミクロン
の針状ダイヤモンドから成る集合体を得た。この針状ダ
イヤモンドは、軽く触れること、あるいは希薄なぶつ酸
−硝酸混合液で処理しシリコン基板を除去することによ
って、容易に基板から離れると共に互いに分離した形で
回収できた。
ダイヤモンド膜をa省りと同様であるが、時間を短縮し
、5分間酸素プラズマ中で処理することによって、長さ
約20ミクロン、直径1−2ミクロンの針状あるいは柱
状ダイヤモンドが密集、林立し、基板から約10ミクロ
ンの厚さの部分は膜状を保持した、針状ダイヤモンドか
ら成る集合体を得た。
この時の針状ダイヤモンドの密度は約5X10’本/c
m2であった。この集合体はぶつ酸−硝酸混合液で処理
することによってシリコン基板を除去しても形態を保ち
、ダイヤモンドのみから成る自立した針状ダイヤモンド
集合体として回収できた。
この集合体は親水性を示した。
実施例 3 マイクロ波を励起源としたプラズマ化学気相法によって
、メタン(3%)−水素混合ガス系より、40Torr
、基板温度850″Cでシリコン基板上にダイヤモンド
を成長させた。走査電子顕微鏡による観察から基板上に
は柱状組織をもつ多結晶体が多数成長していることを確
かめた。このダイヤモンド多結晶体を、第2図の装置を
用い、15Torrの空気プラズマ中、600 ’Cで
5分間処理し、長さ約5ミクロン、直径1−2ミクロン
の針状あるいは柱状モンド集合体を得た。
実施例 4 榛 ■と同様の条件で合成した厚さ30ミクロンのダイヤモ
ンド膜を、第2図の装置を用い10Torrの二酸化炭
素プラズマ中、膜温度600“Cで30分間処理し、長
さ約30ミクロン、直径1−2ミクロンの針状ダイヤモ
ンドを得た。このダイヤモンドは親水性を示した。
ダイヤモンド膜を、第1図の装置により水蒸気圧5 T
orr、アルゴン20Torrの混合ガスプラズマ中、
I!IJ温度700°Cで10分間処理し、長さ約15
ミクロン、直径1−2ミクロンの針状あるいは柱状ダイ
ヤモンドが密集、林立し、基板から約15ミクロンの厚
さの部分は膜状を保持した、針状及び柱状ダイヤモンド
集合体を得た。
実施例 6 通電によって2000″Cに加熱したタングステン線の
フィラメントを用いた化学気相法によって、メタン(2
,5%)−水素混合ガス系より、40Torr。
基板温度850°Cでシリコン基板上に厚さ30ミクロ
ンのダイヤモンド膜を成長させた。この膜を第1図の装
置により80Torrの水素プラズマ中、膜温度980
°Cで20分間処理し、長さ約10ミクロン、直径0.
5−1ミクロンの針状あるいは柱状ダイヤモンドが密集
、林立し、基板から約20ミクロンの厚さの部分は膜状
を保持した、針状及び柱状ダイA・モンド集合体を得た
。この集合体は疎水性を示した。
の混合ガスのプラズマ中、880°Cで30分間処理し
、長さ約5ミクロン、直径0.5−1ミクロンの針状あ
るいは柱状ダイヤモンドが密集、林立し、基板から約2
5ミクロンの厚さの部分は膜状を保持した、針状ダイヤ
モンド集合体を得た。この集合体は疎水性を示した。
ダイヤモンド膜を、第2図の装置を用い、5 Torr
のトリフルオロメタン(CHF、) と4QTorrの
アルゴンの混合ガスのプラズマ中、920°Cで30分
間処理し、長さ約5ミクロン、直径0.5−1ミクロン
の針状あるいは柱状ダイヤモンドが密集〆、林立し、基
板から約25ミクロンの厚さの部分は膜状を保持した、
針状ダイヤモンド集合体を得た。この集合体は疎水性を
示した。
ダイヤモンド膜を、第3図の装置を用い、100置によ
り30Torrの水素プラズマ中で5分間処理すること
によって除去し、長さ約10 ミクロン、直径1−2ミ
クロンの針状あるいは柱状ダイヤモンドが密集、林立し
、基板から約20ミクロンの厚さの部分は膜状を保持し
た、針状ダイヤモンド集合体を得た。この集合体は疎水
性を示した。
ダイヤモンド膜を、第3図の装置を用い、200Tor
rの二酸化炭素気流中、800°Cで30肱分間処理し
て長さ約15ミクロン、直径1−2ミクロンの針状ある
いは柱状ダイヤモンドが密集、林立し、基板から約15
ミクロンの厚さの部分は膜状を保持した、針状ダイヤモ
ンド集合体を得た。
実施例 11 マイクロ波を励起源としたプラズマ化学気相法によって
、メタン(2%)−水素混合ガス系より、40Torr
、基板温度850°Cでシリコン基板上に厚さ30ミク
ロンのダイヤモンド膜を成長させた。X線回折、ラマン
分光法によってこの膜がダイヤモンドであることを確認
し、さらに走査電子顕微鏡による膜の断面の観察からこ
の膜は柱状組織に類似この膜を第1図に示した装置によ
って、圧力15↑orrの空気プラズマ中、膜温度60
0°Cで40分間処理し、多少湾曲し技分かれした樹枝
状あるいはサンゴ状のダイヤモンドを得た。一つの樹枝
状ダイヤモンドの長さは約30ミクロンで、直径1−2
ミクロンの幹及び技より成っていた。
実施例 12 マイクロ波を励起源としたプラズマ化学気相法によって
、メタン(0,3%)−水素混合ガス系より、40To
rr、基板温度850 ’Cでシリコン基板上に厚さ1
0ミクロンのダイヤモンド膜を成長させた。
X線回折、ラマン分光法、走査型電子顕微鏡によってこ
の膜がダイヤモンドであり、約3ミクロン以下の結晶子
が無秩序に集合している組繊をもつことを確認した。こ
の膜を第1図に示した装置によって、圧力5 Torr
の酸素プラズマ中、膜温度600°Cで40分間処理し
、直径1ミクロン以下の細孔を多数もったダイヤモンド
膜が得られた。この多孔質状ダイヤモンドは親水性を示
した。
実施例 13 マイクロ波を励起源としたプラズマ化学気相法によって
、メタン(0,3%)−水素混合ガス系より、40To
rr、基板温度820°Cでシリコン基板上にダイヤモ
ンドを成長させた。走査型電子顕微鏡によって、基板上
のダイヤモンドは数ミクロンの大きさの孤立した多数の
単結晶粒子及び約2ミクロン以下の結晶子が無秩序に集
合した多結晶体として析出していることを確認した。第
2図の装置を用い、15Torrの空気プラズマ中、6
00°Cで1時間処理し、直径1ミクロン以下の細孔を
多数もつ多孔質状ダイヤモンド単結晶粒子及び多結晶体
が得られた。
第1図の装置を用い30Torrの二酸化炭素プラズマ
中、膜温度800°Cで30分間処理し、直径1−2ミ
クロン以下の細孔を多数もつ多孔質状ダイヤモンドを得
た。
実施例 15 ダイヤモンド膜を、第1図の装置により水蒸気圧15T
orr、アルゴン20Torrの混合ガスプラズマ中、
膜温度850°Cで30分間処理し、直径1−2ミクロ
ン以下の細孔を多数有する多孔質状ダイヤモンドを得た
実施例 16 通電によって2000’Cに加熱したタングステン・度
850 ’Cでシリコン基板上に厚さ10ミクロンのダ
イヤモンド膜を成長させた。この膜を第1図の装置によ
り80Torrの水素プラズマ中、nxi度980°C
で1時間処理し、直径2ミクロン以下の細孔を多数有す
る多孔質状ダイヤモンドを得た。この多孔質状ダイヤモ
ンドは疎水性を示した。
ダイヤモンド膜を、第1図の装置を用い、5 Torr
のパーフルオロメタン(CF4) と45Torrのア
ルゴンの混合ガスプラズマ中、980 ”Cで30分間
処理し、直径1−2ミクロン以下の細孔を多数もち、疎
水性を示す多孔質状ダイヤモンドを得た。
ダイヤモンド膜を、第1図の装置を用い、5 Torr
のトリフルオロメタン(CHF3)と45Torrのア
ルゴンの混合ガスプラズマ中、980 ”Cで30分間
処理し、直径1−2ミクロン以下の細孔を多数もち、疎
水性を示す多孔質状ダイヤモンドを得た。
ダイヤモンド膜を、第3図の装置を用い、100Tor
rの酸素気流中、700°Cで1時間酸化処理し、さら
に膜の一部に生成した黒鉛の薄層を第1図の装置により
30Torrの水素プラズマ中で5分間処理することに
よって除去し、直径1−2ミクロン以下の細孔を多数も
つ多孔質状ダイヤモンドを得た。
この試料は疎水性を示した。
実施例 20 ダイヤモンド膜を、第3図の装置を用い、400Tor
rの二酸化炭素気流中、800 ’Cで50分間処理し
て、直径2ミクロン以下の細孔を多数有する多孔質状ダ
イヤモンドを得た。この試料は親水性を示した。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の方法におけるエツチング処理装置の概念
図で、第1図および第2図はプラズマ使用のエツチング
処理装置、第3図は熱使用のエツチング処理装置を示す
。 1:ガス供給装置、  2:圧力計、 3:マイクロ波発振機、4:導波管、 5:反応室、     6:基板、 7:基板支持台、   8:排気装置、9:高周波発振
機、  10:ワークコイル、11:電気炉又は赤外線
集中炉。 iに、・ ′巴−・〉7( 第1図 第2図 第3図 手続補正書 1 事件の表示 昭和63年特許願第75161号 2 発明の名称 針状、繊維状、多孔質状ダイヤモンドまたはそれらの集
合体の製造法 3 補正をする者 事件との関係  特許出願人 4 補正命令の日付 自発補正 別紙 明細書第8真下から5行目「分力」を「分圧」と訂正す
る。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)プラズマ化学気相法あるいは化学気相法によって合
    成されたダイヤモンドまたはその膜を、酸素、二酸化炭
    素、水蒸気、水素、ハロゲン化炭化水素、あるいはハロ
    ゲン化炭素を含んだ気流中でプラズマ処理するか、また
    は酸素、二酸化炭素、あるいは水蒸気を含んだ気流中で
    熱酸化処理することによってエッチングすることを特徴
    とする針状、繊維状、多孔質状ダイヤモンドまたはそれ
    らの集合体の製造法。
JP63075161A 1988-03-29 1988-03-29 針状,繊維状,多孔質状ダイヤモンドまたはそれらの集合体の製造法 Granted JPH01246116A (ja)

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