JPH03237092A - ダイヤモンドまたは硬質炭素膜の合成方法及びその原料となる有機化合物の保持方法 - Google Patents

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、化学気相成長法により、ダイヤモンドまたは
硬質炭素膜を生成させるのに好適なダイヤモンドまたは
硬質炭素膜の合成方法、及び少なくともメチルアルコー
ルを含有する液状有機化合物の保持に好適な有機化合物
の保持方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、化学気相成長法により、ダイヤモンドまたは
硬質炭素膜を生成させるのに好適なダイヤモンドまたは
硬質炭素膜の合成方法に関し、ダイヤモンドの生成時に
は、同時に生成する非ダイヤモンド炭素をエツチングす
る一方、硬質炭素膜の生成時には、温度設定条件によっ
て良質な硬質炭素膜が生成されるように他のカーボンを
エツチングし、それら非ダイヤモンド炭素または他のカ
ーボンを再ガス化して除去するためのキャリヤーガスを
供給することなく、少なくともメチルアルコールを含有
する液状有機化合物がダイヤモンドまたは硬質炭素膜（
以下、ダイヤモンド等と略称する）生成用物質兼エツチ
ング物質として使用され、これにより、ダイヤモンド等
の生成が容易かつ高能率で行なえるとともに、ダイヤモ
ンド等生成用の装置が簡素化できるようにしたものであ
る。

また、本発明は、少なくともメチルアルコールを含有す
る液状有機化合物の保持に好適な有機化合物保持方法に
関し、多孔質体に有機化合物を含浸させて保持させるこ
とにより、有機化合物の取扱いが容易になるとともに、
有機化合物がこぼれる等して、火災等の災害が発生する
ことを回避できるようにしたものである。

〔従来の技術〕

例えば、特開昭６１−２８６２９９号公報、特開昭６１
１８３１９８号公報、特開昭６２−２０２８９６号公報
、特開昭６２−１１３７９６号公報及び「化学と教育」
第３７巻別刷（１９８９年度に刊行）等には、気相成長
法によるダイヤモンド合成方法が記載されている。

この種のダイヤモンド合成方法では、ダイヤモンド生成
用物質として、炭化水素と水素の混合ガス、メチル基を
含む有機化合物（気相または液相）、酸素と炭素と水素
とを有する含酸素化合物（１種類または２種類以上が気
相反応される）、あるいは、それらの物質にアルゴン等
の不活性ガスが少量加えられたものが使用される。

また、分解エネルギーとしては、熱、アーク放電、グロ
ープラズマ、レーザー光、電子線、プラズマ等が利用さ
れ、さらに電位が加えられたり、アセチレン酸素火災プ
ラズマ（フェザ−炎内）単体、あるいはそれらのエネル
ギーが複合されて加えられる場合がある。

そして、いずれの方法においても、水素、酸素あるいは
不活性ガスがキャリヤーガスとして供給されつつダイヤ
モンドの生成が行なわれ、そのキャリヤーガスは、ダイ
ヤモンドと同時に生成される非ダイヤモンド炭素をエツ
チングし、再ガス化させて除去するために不可欠とされ
ている。

一方、例えば、この種のダイヤモンド生成時に使用され
るメチルアルコール、あるいは他１７）　有ｆｆｌ化合
物が少量混入された種々の原料は、液体または気体のま
ま取り扱われている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、キャリヤーガスを供給する場合、その供
給量等により、ダイヤモンドの生成時間、生成されたダ
イヤモンドの質等が大きく左右され、最悪の場合にはダ
イヤモンドが生成されないおそれがある。

そのため、良好なキャリヤーガスの供給量等の管理が困
難であるとともに、キャリヤーガスを供給するために、
ダイヤモンド生成用の装置が複雑になるという問題を有
していた。

また、メチルアルコール等の原料を液体または気体のま
ま取扱うには、その貯蔵タンク等が必要となるため、取
扱いにくく、また、こぼれる等して、火災等の災害を招
来するおそれが有った。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、
その目的は、キャリヤーガスの供給を不要にして、ダイ
ヤモンド等の生成が容易かつ高能率で行なえるとともに
、ダイヤモンド等生成用の装置が簡素化できるダイヤモ
ンドまたは硬質炭素膜の合成力法を提供することにある
。

また、本発明の他の目的は、ダイヤモンド等の生成用物
質とされる少なくともメチルアルコールを含有する液状
有機物質の取扱いを容易にするとともに、火災等の災害
を回避可能な有機化合物の保持方法を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を遠戚するために、本発明に係るダイヤモンド
または硬質炭素膜の合成方法は、は布状のガラスウール
、セラミックスウール、炭素繊維および金属繊維を少な
くとも含む物質からなる多孔質体（Ｐ）に含浸された状
態で保持される、 ことを特徴とする。

チルアルコールを含有するダイヤモンドまたは硬質炭素
膜生成用の有機化合物を拡散させる第２過程と、 反応容器（３）内にキャリヤーガスを供給することなく
、常圧から微量加圧状態に減圧された状態で反応容器（
３）内に拡散された上記有機化合物を構成する炭素原子
からダイヤモンドまたは硬質炭素膜が生成される第３過
程と、 を有することを特徴とする。

また、本発明に係る有機化合物の保持方法は、少なくと
もメチルアルコールを含有する液状有機化合物が、食塩
、ガラスウール、石綿、セラミックス粒子、炭素粒子、
炭素ウール、セラミックス吸着剤、不活性金属粒子、水
素吸蔵合金、また〔作用〕 本発明に係るダイヤモンドまたは硬質炭素膜の合成方法
では、ダイヤモンドまたは硬質炭素膜生成用物質として
少なくともメチルアルコールを含有する有機化合物が使
用され、第１過程で反応容器内から空気が排気された後
は、反応容器内にはキャリヤーガスが供給されない。

また、本発明に係る有機化合物の保持方法では、有機化
合物が多孔質体に含浸・保持されるので、有機化合物の
取扱いが容易となるとともに、有機化合物がこぼれる等
の不都合が回避可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明に係るダイヤモンドまたは硬質炭素膜の合
成方法及び有機化合物の保持方法の好適な実施例を、図
面に基いて説明する。

第１図には、本実施例で使用されるダイヤモンド合成装
置（１）が示されており、このダイヤモンド合成装置（
以下、単に装置と略称する）（１）は、ダイヤモンドの
生成が行なわれる反応容器（３）と、反応容器（３）内
へ導入される液状メチルアルコールが封入されたタンク
（５）と、反応容器（３）内が水素で充填されたことを
確認するための水素チエツク部（７）と、ダイヤモンド
生成中に反応容器（３）内に発生する不要な気体が排気
されていることを確認する排気確認用バブラー（９）と
を有している。

反応容器（３）はガラス製円筒状体に、ゴム栓（１４）
。

（１６）を配設して形成されており、反応容器（３）内
には、ダイヤモンドを生成させるモリブデン、シリコン
等の板状基体（１３）が載置される基体支持部（１１）
と、フィラメント（１５〉が設けられ、フィラメン）　
（１５）には可変抵抗器を有する電源（１７）から電流
が供給される。

また、反応容器〔３）内には、流量調節弁（１０）、コ
ム管（１２）を介して、図示しない水素タンクから水素
が導入されるとともに、ゴム管（５ａ）を介して、タン
ク（５）内のメチルアルコールが導入される。

この場合、ゴム管（５ａ〉の反応容器（３）内側端部（
５ｂ）には、グラスウール、石綿等の不燃性多孔質体か
らなる芯材（多孔質体（Ｐ〉）が詰めこまれており、こ
れにより、タンク（５）内のメチルアルコールが、自身
の液体圧力で、タンク（５）内に流出することが防止さ
れ、またメチルアルコール分子がより広い表面積部分か
ら拡散される結果、メチルアルコール分子が、充分かつ
均一に反応容器（３）内で拡散し、より良好なダイヤモ
ンド生成が行えるように設定されている。

このような目的で、メチルアルコール分子を拡散させる
場合、第２図から理解されるように、有底筒状の容器（
２３）内に、食塩、ガラスウール、石綿、セラミックス
粒子、炭素粒子、炭素ウール、セラミックス吸着剤、不
活性金属粒子、水素吸蔵合金、または布状のガラスウー
ル、セラミックスウール、炭素繊維および金属繊維等の
物質あるいはこれらの混合物からなる多孔質体（Ｐ）を
設け、この多孔質体（Ｐ）にメチルアルコールを含浸さ
せておくことも好適である。

この場合には、より良好なダイヤモンド生成が行なえる
ことに加え、メチルアルコールの取扱いが容易に行なえ
る。

そして、メチルアルコールを多孔質体（Ｐ）に含浸させ
ておく方法は、メチルアルコールが使用される場合に、
広く適用可能である。

また、容器（２３）自体を多孔質体（Ｐ）で形成するか
、あるいは容器（２３）の蓋を多孔質体（Ｐ）で形成し
ても、同様の効果が得られる。

さらに、ゴム管（５ａ〉には、超音波発振器、高周波振
動体等の振動付与手段（１００）　　が設けられ、メチ
ルアルコールに振動が加えられるので、メチルアルコー
ルは微細な噴霧となって反応容器（３）内に拡散される
結果、ダイヤモンドの生成スピードがアップされるとと
もに、反応容器（３）内が比較的低温度であってもダイ
ヤモンドが生成され、かつメチルアルコールに加えるプ
ラズマ等は低エネルギーであっても良い。

なお、振動付与手段（１００）　　が、反応容器（３）
全体、タンク（５）、多孔質体（Ｐ）を振動させる構成
も好適である。

次に、装置（１）を使用して、ダイヤモンドを生成させ
る方法について説明する。

第１過程ではピンチコック（２０）、流量調節弁（１０
）が操作されて、水素が反応容器（３）内に導入され、
その結果、反応容器（３）内の空気が排気される。

すなわち、反応容器（３）内に空気が混入すると、ダイ
ヤモンドが生成されなくなるとともに、空気の量が多い
場合には、フィラメン）　（１５）の温度及び導入され
たメチルアルコールにより、反応容器（３）内で爆発が
生ずる危険性があるため、反応容器（３）内の空気は、
水素、不活性ガス等で置換しておくか、あるいは反応容
器（３）内を真空にしておく（空気を排気）しておく必
要があり、また、ダイヤモンドの生成中に反応容器（３
）内に空気がリークしないように注意する必要がある。

なお、反応容器（３）内の空気が、水素で置換され１ １ま たか否かは、ピンチコック（１９）を緩めて水素チエツ
ク部（７）の試験管（７ａ）内に、ゴム管（３ａ）、　
（７ｂ）　　を介して反応容器（３）内の気体を導入し
、試験管（７ａ〉内の気体に火を付けて、水素特有の爆
発音を確認することにより行なわれる。

第２過程では、流量調節弁（１０）が閉じられるととも
に、ピンチコック（１９）も閉じられ、ピンチコック（
２１）が開けられた状態でフィラメン）　（１５）への
通電が開始されるとともに、振動付与手段（１００）が
駆動される。

フィラメント（１５）が加熱されると、その熱エネルギ
ーによって、タンク（５）内のメチルアルコールが、ゴ
ム管（５ａ）を介して反応容器（３）内へ導入される。

このとき、メチルアルコールは、多孔質体（Ｐ）から、
徐々に昇華して拡散し、フィラメント（１５）の近傍に
設置された基体（１３）上にダイヤモンドが形成される
（第３過程）。

なお、フィラメン）　（１５）の加熱中に、反応容器（
３）内で生じた不要な気体は、ゴム管（３ａ）、ピンチ
コック（２１）、ゴム管（９ｂ）を介して排気１ｔｌ用
バブラー（９）に導入され、導入された気体は、容器（
９ａ）内の水を通過した後、ゴム管（９Ｃ）から外部へ
排出される。

ここで、第３過程では、反応容器（３）内へは水素等の
キャリヤーガスは全く導入されずに進行され、またメチ
ルアルコールが、水素によりバブリングされて導入され
ることもない。

そして、このようにして基体（１３）上に生成された物
質からは、フィラメン）　（１５）の温度、基体（１３
）の状態（表面加工等）などの、微妙な合成条件に左右
される事なく、第３図から理解されるように、ラマンシ
フト値１３３３　Ｃｃｍ−’〕でピークを有するダイヤ
モンドに特有なレーザーラマンスペクトルが得られ、基
体（１３）上の生成物質がダイヤモンドであることが確
言忍された。

また、第４図から理解されるように、その結晶構造によ
っても、生成物質がダイヤモンドであることが確言忍さ
れる。

なお、本実施例では、フィラメン）　（１５）として直
径０．２　［：ｍｍ］のタングステン線が使用されてい
るが、フィラメント（１５）を１次加熱源とし、この１
次加熱源に加熱される他の２次加熱源から、メチルアル
コールに熱エネルギーを供給することにより、フィラメ
ン）　（１５）での電力消費を少なくすることも好適で
ある。

そして、フィラメン）　（１５）の温度は、値２０００
〔℃〕〜値２４００Ｃ℃〕　とすることが好ましいが、
本発明によれば、その温度が、値１６００Ｃｔ：ｌ〜値
１８００［：ｔ）であっても、ダイヤモンドを良好に生
成することができる。

また、本実施例では、直径０．２　〔ｍｍ）のタングス
テン線が、直径Ｉ　　Ｃｍｆｆのコイル状に成形された
フィラメント（１５）が使用され、そのコイル部分にお
ける山の数は、コイルの長手方向Ｉ　Ｃｃｍ〕当たり、
値５個〜値１２個が最適であることが判明したが、反応
容器（３）の容積、フィラメン）　（１５）に通電する
電流値、あるいはプラズマ等をエネルギー供給源として
並用する場合等に適宜対応して変更すると好適である。

さらに、本発明によれば、フィラメント（１５）が、加
熱中に変形されることなくダイヤモンドの形成が良好に
行なわれ、例えば、一番大きなダイヤモンド結晶が生成
されるフィラメント（１５）の直下においては、１時間
でダイヤモンドの粒径を値５０〔μｍ〕〜値１００　［
μｍ〕程度とすることが可能であるとともに、連続して
１８時間〜２０時間以上の作業が可能である。

この場合、メチルアルコールの消費量は、反応容器（３
）の容積や、反応温度等に関係しており、本実施例では
、１時間当たり、値３〔−〕〜値４〔−〕程度であった
が、この値は反応の際に供給されるエネルギーによって
変化する。

一方、第３過程における基体（１３）の温度は、値５０
０［：ｔ）〜値１０００〔℃〕程度であったが、反応速
度を早くするには、値９００［：ｔ３程度が好適である
。

なお、この場合、この温度は、エネルギー源としてプラ
ズマ等が並用される場合には、その並用されたエネルギ
ーの分に対応して、低く設定する５ １に とになる。

また、ダイヤモンドの生成がより良好に行なわれるため
には、基体（１３）の表面を予めダイヤモンドパウダ等
で研磨すること、所望の粒子や薬品、酸素プラズマ等に
より基体（１３〉の表面をエツチングすること、基体（
１３）に対して、アセチレンガスによる炎燃式でダイヤ
モンド格を発生させてお（こと、ダイヤモンドが生成さ
れやすい物質で基体（１３）の表面をメツキ処理してお
くこと等が挙げられる。

そして、ダイヤモンドパウダによる研磨を行なうと、比
較的短時間で、粒径値１００〔μｍ〕程度の生成が可能
であり、また、予めダイヤモンド格を発生させておくこ
とにより、反応時にはそのダイヤモンド格を生長させる
だけで所望のダイヤモンド層が生成できる。

なお、上述したように、ダイヤモンドの生成時（第３過
程）において、反応容器（３）内に空気が混入すると、
爆発の原因となり、危険であるため、第１図及び第２図
の装置（１）では、仮に爆発が生じた場合には、ゴム栓
（１４）、　（１６）　　が脱落することにより安全弁
として機能し、作業者に危害が加わらないように構成さ
れている。

また、合或は常圧下で行なわれるため、装置（１）をス
テンレス等の耐圧材料で構成する必要がなく、装置（１
）が廉価に製造できる。

そして、このような爆発時に備え、第４図から理解され
るように、反応容器（３）に貫通孔（２７）を形成し、
この貫通孔（２７〉に、栓（２９）を圧力嵌合させてお
く構成も好適である。

この場合、第４図に示された反応容器（３）の基体支持
部（１１）には、冷却水が通過されるパイプ（２５）が
内蔵されており、その冷却水により、基体（１３）自体
の温度を下げ、基体（１３）が物理的、化学的に変化し
ないように設定されている。

さらに、装置（１）は、第５図から理解されるように、
中学校、高等学校等で行なわれる化学実験用教材として
、簡素かつコンパクトに構成することが可能であり、こ
の場合、容器（２３）は、反応容器（３）に突設された
空洞（３Ａ）内に挿入され、この空洞（３Ａ）の外周側
面に螺合されるナツト部材（３１）により支持される。

また、容器（２３）を用いずに、メチルアルコールが含
浸された多孔質体（Ｐ）をナツト部材（３１）の内部に
直接載置しても良い。

なお、装置（１）を教材用キットとして製造する場合、
基板（３）を石英ガラスで構成することにより、高価な
金属類ｉｉａ鏡が不要となるので、本発明は、化学実験
等、教育の一貫としても広く適用されることが可能であ
る。

また、装置（１）を、第５図のように構成することによ
り、仮に反応容器（３）で爆発が生じた場合等において
も、メチルアルコールが外部にこぼれるのを防止できる
ため、火災等の危険を回避することができる。

以上説明したように、本実施例では、ダイヤモンド生成
時には、水素等のキャリヤーガスが全（供給されず、ダ
イヤモンド生成物質としてメチルアルコールが使用され
ている。

従って、キャリヤーガスを供給する装置や、その供給量
等の管理が不要となる。

その結果、ダイヤモンドの生成が、容易かつ高能率に行
なわれるとともに、装置（１）の簡素化が可能となる。

また、メチルアルコールは、食塩等からなる多孔質体（
Ｐ）に含浸・保持されるので、その取扱いが容易である
とともに、メチルアルコールがこぼれる等して、火災等
の災害が発生するのを回避することが可能となる。

なお、硬質炭素膜の合或は、上記実施例と略同様にして
行なわれ、また、ダイヤモンド等の生成用物質としては
、メチルアルコールの他に、メチルアルコールと他の有
機化合物（例えば、エチルアルコール、アセトン）とを
混合させた有機化合物を使用することもできるとともに
、多孔質体（Ｐ）にはそのような有機化合物を含浸させ
ておくことも好適である。

また、振動付与手段（１００）　　としては、金属、セ
ラミックス、半導体等に、光を照射して振動させ、その
振動がメチルアルコールに与えられる構成も９ ０ 好適である。

この場合、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱灯、紫外レーザ
、赤外レーザ、または紫外線ランプからの光、あるいは
他の波長の光を集光させて照射させることが可能である
。

〔発明の効果〕

以上の説明で理解されるように、本発明に係るダイヤモ
ンド合成方法は、ダイヤモンド生成用物質としてメチル
アルコールが使用され、ダイヤモンドの生成時には、キ
ャリヤーガスが供給されない。

従って、キャリヤーガスの供給量管理や、その供給に使
用される装置が不要となる。

その結果、ダイヤモンドの生成を容易かつ高効率に行な
うことができるとともに、ダイヤモンド生成用の装置を
簡素化することが可能となる。

また、本発明に係るメチルアルコール保持方法は、メチ
ルアルコールが、多孔質体に含浸・保持されるので、メ
チルアルコールの取扱いが容易になるとともに、メチル
アルコールがこぼれる等して、火災等の災害を招来する
ことが回避される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の好適な実施例におけるダイヤモンド
合成装置の全体概略図、第２図は、他の実施例における
ダイヤモンド合成装置の全体概略図、第３図はレーザー
ラマンスペクトルの一例を示す（ラマンシフト）−（ラ
マン光強度）曲線、第４図は、ダイヤモンド結晶の構造
を示す写真、第５図は、上記装置の防爆構造の例を示す
構成図、第６図はさらに他の実施例におけるダイヤモン
ド合成装置の概略構成図である。 （１）はダイヤモンド合成装置、（３）は反応容器、（
５）はメチルアルコールタンク、（７）は水素チエツク
部、（９）は排気確認用バブラー、（１１）は基体支持
部、（１３）は基体、（１５）はフィラメント、（２３
）は容器、（１００）　　は振動付与手段（超音波発振
器）、（Ｐ）は多孔質体である。 手続補正書 （１）特許請求の範囲を別紙の如く訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ダイヤモンドまたは硬質炭素膜生成用の反応容器内
   から、空気が排気される第１過程と、空気が排気された
   反応容器内に、少なくともメチルアルコールを含有する
   ダイヤモンドまたは硬質炭素膜生成用の有機化合物を拡
   散させる第２過程と、 反応容器内にキャリヤーガスを供給することなく、常圧
   から微量加圧状態に減圧された状態で反応容器内に拡散
   された上記有機化合物を構成する炭素原子からダイヤモ
   ンドまたは硬質炭素膜が生成される第３過程と、 を有することを特徴とするダイヤモンドまたは硬質炭素
   膜の合成方法。 ２、上記有機化合物が、少なくとも超音波発振器、高周
   波振動体を含む振動付与手段により、振動されつつ拡散
   される、 ことを特徴とする請求項第１項に記載のダイヤモンドま
   たは硬質炭素膜の合成方法。 ３、少なくともメチルアルコールを含有する液状有機化
   合物が、食塩、ガラスウール、石綿、セラミックス粒子
   、炭素粒子、炭素ウール、セラミックス吸着剤、不活性
   金属粒子、水素吸蔵合金、または布状のガラスウール、
   セラミックスウール、炭素繊維および金属繊維を少なく
   とも含む物質からなる多孔質体に含浸された状態で保持
   される、 ことを特徴とする有機化合物の保持方法。