JPH075433B2 - 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

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
ルを含有し且つダイヤモンドまたは硬質炭素膜の原料と
なる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、特に、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ッチング
する一方、硬質炭素膜の生成時にも良質な硬質炭素膜が
生成されるように他の不純カーボンをエッチングし、そ
れら非ダイヤモンド炭素または他の不純カーボンを再ガ
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、メチルアルコールを含有する有機化合物がダイヤ
モンドまたは硬質炭素膜の生成用物質兼エッチング物質
として使用され、これにより、ダイヤモンドまたは硬質
炭素膜の生成が容易かつ高能率で行えるとともに、ダイ
ヤモンド等の生成用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、ダイヤモンドまたは硬質炭素膜の原料
となる有機化合物の保持に好適な有機化合物の保持方法
に関し、特に、反応容器内に配設される多孔質体にメチ
ルアルコールを含有する液状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巻別冊（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、アセチレン酸素火炎プ
ラズマ（フェザー炎内）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、上述した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
素をエッチングし、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、あるいは他の有機化合物が少量混
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液体のま
ま取り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
するおそれがあった。

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方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
質とされるメチルアルコールを含有する有機化合物の取
扱いを容易にするとともに、火災等の災害を回避可能な
ダイヤモンドまたは硬質炭素膜の原料となる有機化合物
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〕

上記目的を達成するために、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、ダイヤモンドまたは硬
質炭素膜生成用の反応容器内にメチルアルコールを含有
する有機化合物を導入し、反応容器内にキャリヤーガス
を供給することなく、当該反応容器内に導入されたメチ
ルアルコールを加熱反応またはプラズマ反応させてダイ
ヤモンドまたは硬質炭素膜を生成することを特徴として
いる。

また、本発明に係るダイヤモンドまたは硬質炭素膜の原
料となる有機化合物の保持方法は、ダイヤモンドまたは
硬質炭素膜生成用の反応容器内に、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、
布状のガラスウール、セラミックスウール、繊維または
金属繊維のうち、少なくとも１を含む物質からなる多孔
質体を配設し、ダイヤモンドまたは硬質炭素膜の原料と
なるメチルアルコールを含有する液状有機化合物を多孔
質体に含浸させて保持することを特徴とする。

〔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の原料とし
てメチルアルコールを含有する有機化合物が使用され、
反応容器内にキャリヤーガスが供給されることなく、当
該反応容器内でメチルアルコールが加熱反応またはプラ
ズマ反応されてダイヤモンドまたは硬質炭素膜が生成さ
れる。

また、本発明に係るダイヤモンドまたは硬質炭素膜の原
料となる有機化合物の保持方法では、ダイヤモンドまた
は硬質炭素膜生成用の原料としてメチルアルコールを含
有する液状有機化合物が、反応容器内に配置される多孔
質体に含浸されて保持されるため、液状有機化合物の取
扱いが容易となるとともに、当該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
成方法及びその原料となる有機化合物の保持方法の好適
な実施例を、図面に基づいて説明する。

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
の生成が行われる反応容器（３）と、この反応容器
（３）内へ導入される有機化合物の一具体例を示す液状
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
素チェック部（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、この反応容器（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、フィラメント（1
5）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）、ゴム
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。この水素は、合成反応を開始する前に、反応
容器（３）内に残留する空気を排気するためのものであ
る。更に、反応容器（３）内には、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）内に突出した
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））が詰め込まれてお
り、これにより、タンク（５）内のメチルアルコール
が、自信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。これは、毛細管現象により液体が
芯材を通って加熱部へと移動して行くことによる。その
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、布状のガラスウール、セ
ラミックスウール、繊維または金属繊維のうち、少なく
とも１を含む物質、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えるこ
とに加え、メチルアルコールの取扱いが容易に行える。

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）を自体を多孔質体（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。その結
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）または多孔質体（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。

まず、ピッチコック（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。この際、反応容器
（３）内に導入される水素は当該反応容器（３）内の空
気を排気するためだけのものであり、この水素が従来の
キャリヤーガスの役割をなすものではない。

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、フィラメント（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
危険性があるからである。従って、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。また、反応容器
（３）内の空気を上記ガスで置換しない場合には、反応
容器（３）内のフィラメント（15）をゆっくり加熱する
ことにより、反応容器（３）内に生じた不要な気体は、
ゴム管（3a）、ピンチコック（21）及びゴム管（9a）を
介して排気確認用バブラー（９）に導入されて排気され
る。なお、ダイヤモンドの生成中、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もある。

また、反応容器（３）内の空気が水素で置換されたか否
かは、ピンチコック（19）を暖めて水素チェック部
（７）の試験管（7a）内に、ゴム管（3a），（7b）を介
して反応容器（３）内の空気を導入し、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
により行うことができる。この確認作業は、水素を最初
の置換用として使用しない場合には不要である。

次に、流量調節弁（10）が閉じられるとともに、ピンチ
コック（19）も閉じられる一方、ピンチコック（21）が
開けられた状態でフィラメント（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。な
お、水素を最初の置換用として使用しない場合には、ピ
ンチコック（21）は開けられたままである。

これにより、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）の近傍に配置
された基体（13）上にダイヤモンドが形成される。

なお、フィラメント（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）及びゴム管（9b）を介して排気確認用バブラー
（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、上記ダイヤモンドが形成される際、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
に生成過程が進行され、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。この場
合、反応容器（３）内の圧力は、常圧よりも微量だけ加
圧した状態にするか、あるいは常圧よりも微量だけ減圧
した状態にしておくと、反応がより良好に行える。

そして、このようにして基体（13）上に生成された物質
からはフィラメント（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こ
となく、第３図から理解されるように、ラマンシフト値
1333〔cm^-1〕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認される。

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認され
る。

なお、本実施例では、フィラメント（15）として直径0.
2〔mm〕のタングステン線が作用されているが、フィラ
メント（15）を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、フィラメント（15）での電力消費を少なくするこ
とも好適である。

そして、フィラメント（15）の温度は2000〔℃〕〜2400
〔℃〕とすることが好ましいが、本発明によれば、その
温度が1600〔℃〕〜1800〔℃〕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１〔mm〕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１〔cm〕当たり５個〜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
ント（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併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50〔μｍ〕〜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３〔ml〕〜４〔ml〕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、基体（13）の温度は、500〔℃〕〜1000〔℃〕程
度であったが、反応速度を早くするには900〔℃〕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
ズマ等が併用される場合には、その併用されたエネルギ
ーの分に対応して低く設定することになる。

また、ダイヤモンドの生成がより良好に行われるために
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）の表面をエッチングすること、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
発生させておくこと、ダイヤモンドが生成されやすい物
質で基体（13）の表面をメッ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
となって危険であるため、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、コム栓（1
4），（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、合成は常圧下で行われるため、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５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５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、科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６図から理解されるように、
中学校、高等学校等で行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
されるナット部材（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）をナット部材（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
金属顕微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６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するで
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く供給されず、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、硬質炭素膜の合成は、上記実施例と略同様にして
行われる。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
ンドまたは硬質炭素膜の合成方法は、ダイヤモンドまた
は硬質炭素膜生成用物質としてメチルアルコールが使用
され、ダイヤモンド等の生成時には、全くキャリヤーガ
スが供給されない。従って、キャリヤーガスの供給量の
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、ダイヤモンド等の生成を容易かつ高能率に行うこ
とができるとともに、ダイヤモンド等生成用の装置を簡
素化することが可能となる。

また、本発明に係るダイヤモンドまたは硬質炭素膜の原
料となる有機化合物の保持方法は、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と
いう効果が得られる。

【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、（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、（Ｐ）は多孔質体である。

フロントページの続き (72)発明者 小路 正史 東京都新宿区新宿４丁目３番15号 レイフ ラット新宿601号 株式会社豊振科学産業 所内 (56)参考文献 特開 昭61−163195（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−2897（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−153895（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤモンドまたは硬質炭素膜生成用の反
   応容器内にメチルアルコールを含有する有機化合物を導
   入し、 上記反応容器内にキャリヤーガスを供給することなく、
   当該反応容器内に導入された上記メチルアルコールを加
   熱反応またはプラズマ反応させてダイヤモンドまたは硬
   質炭素膜を生成する 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. 【請求項２】上記有機化合物が、超音波発振器または高
   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. 【請求項３】ダイヤモンドまたは硬質炭素膜生成用の反
   応容器内に、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、布状のガラスウール、セ
   ラミックスウール、繊維または金属繊維のうち、少なく
   とも１を含む物質からなる多孔質体を配設し、 ダイヤモンドまたは硬質炭素膜の原料となるメチルアル
   コールを含有する液状有機化合物を上記多孔質体に含浸
   させて保持する ことを特徴とするダイヤモンドまたは硬質炭素膜の原料
   となる有機化合物の保持方法。