JPH08120449A - ダイヤモンド又は硬質炭素膜の合成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイヤモンド又は硬質炭素膜の簡単な作成
可能装置。 【構成】 ダイヤモンド又は硬質炭素膜生成時、キャ
リヤーガスの供給をしないで、又、原料となるメチルア
ルコールを含有する有機化合物の導入が最初のみ反応容
器に空気が残留しない状態で満杯とし、その後反応容器
内を加熱し、蒸気圧によっても、反応容器内に一定量そ
の後の反応用原料となる液を残すように排出管を容器に
取付けられた装置。

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であり、
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を液体のまま反応容器
に満杯にした状態で作成する方法に関する。

【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為のキャリヤーガス
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、この有機化合物液が容
器内に残量し、且つ押し出されたクッションタンク内に
あるので新たに原料を供給する事がない。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且つ高能率
で行えるとともに、ダイヤモンド等の生成用装置が簡素
化出来るようにしたものである。また、本発明は、反応
容器内にメチルアルコールを含有する液状有機化合物を
満杯にすることで空気が容器内に残らないことで、有機
化合物の取扱いが容易になるとともに、有機化合物液を
容器に満杯状態からゆっくりと加熱をスタートし、アル
コールの蒸気圧で反応空間が出来た後、原料となる有機
化合物が容器内に残り、原料や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液を一回反応
容器に満杯にするだけで出来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６２−２
０２８９６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
ヤモンド生成用物資として、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。また最近では、これらキャリヤーガスを使用
しないで合成する方法や、メタノール液層の中にビーカ
ーを逆様にしてそのビーカー内を加熱して作る方法など
がある。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、
お湯による加熱等が利用され、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、上述したいずれかの方法にお
いては、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
去する為に不可欠とされているし、キャリヤーガスを供
給しない方法においても原料となる有機化合物液を生成
中に供給していたり、反応容器そのものを原料容器に水
没させたりしている。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、有機化
合物原料を、液体のまま容器に導入して使用する場合、
確実に反応容器内に空気が残らない使用方法が条件とな
る。これは、反応容器内に空気があり、加熱されると爆
発の危険が伴うという問題を有していた。本発明は、上
記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、キャ
リヤーガスの供給の不要の合成方法において、原料とな
る有機化合物液を反応容器中に満杯になるよう導入し、
一回の導入であとからの新たなる有機化合物液やガスの
供給を不要にして、ダイヤモンド等の生成が容易且つ高
能率で行えるとともに、ダイヤモンド等生成用の装置が
簡素化できるものである。

【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ドまたは硬質炭素膜の合成装置は、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
有する有機化合物液を容器内に空気留りのない様満杯に
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、その余分な有機化合物
液が押し出される排出口管を経て留められるクッション
タンクと反応容器内に残量する液が反応原料液となり、
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。

【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一
回の導入で済み、反応容器内にキャリヤーガスや、有機
化合物の液やガスが新たに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。

【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
へ導入された有機化合物液の残量（４）と排出口管
（２）と、押し出された有機化合物液（４ａ）の一具体
例を示す液状メチルアルコールが留められたクッション
タンク（５）と、このクッションタンク（５）から押し
出された反応後のガスを確認する為のガスチェック部
（６）が、外気が逆流しないクッションを兼ねている。
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を
（７）又は、（６）でも確認出来る。反応容器（３）
は、ガラス製円筒状体にゴム栓（９），（１０）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（１５）には
可変抵抗器を有する電源（２０）から電流が供給され
る。また、反応容器（３）内には、ゴム管（１２）を介
して、メタノールを満杯にしやすくする為投入口と排気
口の２つがある。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、排気用
の三角フラスコ（６）に水（８）を入れる。基板（１
３）、フィラメント（１５）をセットし、反応管の上下
のゴム栓（９），（１０）を閉める。下のピンチコック
（１６）を閉め、上のゴム管（１２）に空気が残らない
様メタノールを入れる。上のピンチコック（１７）を二
つとも閉め、下のピンチコック（１６）を開ける。電流
を少し流しフィラメント温度を上げ、メタノールの蒸気
を発生させる。フィラメントが液面から出たら、フィラ
メント温度を上げ、１〜２時間反応させる。５分ほど経
ったらアルコールランプ（１８）に火を付ける。反応が
終了したら、アルコールランプの火を消し電源を切り、
上のピンチコック（１７）を開ける、またその時下のピ
ンチコック（１６）を閉めておいた方が良い。反応管が
冷めたら基板を取り出し、観察する。フィラメント（１
５）が加熱されると、その熱エネルギーによって反応容
器（３）内のメチルアルコールが、反応容器（３）に昇
気され徐々に拡散し、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、排出口管（２）を通してクッシ
ョンタンク（５）へそして、ピンチコック（１６）及び
ゴム管（１４）を介して排気確認用バブラー（６）に導
入され、導入された気体は容器（６）内の水（８）を通
した後、ゴム管（１９）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事も新たにアルコールが導入され
る事もない。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、この様にして基体（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２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。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
使用されているが、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（１
５）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〔℃〕〜２
４００〔℃〕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出来る。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
最適である事が判明したが、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行われ、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〔μ
ｍ〕〜１００〔μｍ〕程度とすることが可能であるとと
もに、反応容器（３）の型状によって液溜り部分を大き
くする事で連続して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為には、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
ガスによる炎焼式でダイヤモンド核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、予めダイヤモンド核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）内に空気が残留または混入すると、爆発
の原因となって危険であるため、第１図の装置（１）で
は、仮に爆発が生じた場合には、ゴム栓（９），（１
０）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。そしてこの
ような爆発時に備え、第３図から理解されるように、反
応容器（３）に貫通孔（２１）を形成し、この貫通孔
（２１）に栓（２２）を圧力嵌合させておく構成も好適
である。装置（１）は、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
ことが可能である。装置（１）を教材用キットとして製
造する場合、基板（１３）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。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
コールが新たに導入される事なく使用されている。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、残量のメチルアルコールは、食
塩等からなる多孔質体（Ｐ）に含浸・保持されていても
良く、その取扱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
ることも可能である。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
ことも出来るとともに、有機化合物を残量させておくこ
とも好適である。また、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、ま
たは加熱を兼ねて赤外線加熱炉、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ても良い。

【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し、反応中に新たに有
機化合物のガスや、液体が供給されることもないので、
キャリヤーガスの供給量の管理や、その他の供給に使用
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事が出来るとともに、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。原料となる有機化合物液の残量が多孔質体に含浸・
保持されていても良い。それにより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
し、クッションタンク内にこれらが入っていればタンク
の安定重りにもなるし、ビー玉のような丸い玉でこれら
の役割効果が得られる。

【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３図は、他の実施例における多孔質体なるものを
保持として利用した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、
（４）はメチルアルコール、（６）は排気確認用バブラ
ー、（１１）は基体支持部、（１３）は基休、（１５）
はフィラメント、（３１）は取り外しナット、（１０
０）は振動付与手段、（Ｐ）は多孔質体である。

Claims (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
   炭素膜を生成する合成方法において、導入された有機化
   合物液を反応容器に空気が残らない状態に満杯にしてか
   ら加熱反応し、この加熱によるアルコール蒸気圧で液体
   及び反応ガスが押し出される排出口管を上記液が一定量
   反応容器内に原料用液として残るように取付けられ、そ
   の排出口管から押し出された有機化合物液を受けるクッ
   ションタンクを有している装置。