クエリ: 人工ダイヤモンドは炭素でできている?
文章: 合成ダイヤモンド 1879年から1928年にかけて、合成が試みられたが、全て失敗している。1940年代には、アメリカ合衆国、スウェーデン、そしてソビエト連邦がCVD法とHPHT法を用いた合成を体系的に研究し始め、1953年頃に最初の再現可能な合成方法を発表した。現在はこの2つの方法で主に合成されている。CVD法、HPHT法以外では、1990年代後半に炭素元素を含む爆薬を使用し、爆轟(デトネーション)による合成法が開発された。さらに高出力の超音波を用いてグラファイトを処理するキャビテーション法もあるが、未だ商業的には利用されていない。
文章: ダイヤモンドの物質特性 ダイヤモンドは古代ギリシャ語で" "δμα" "(ラテン文字転写で" "admas" ":「固有、独特」、「不変」、「壊れにくい」の意味)として知られ、時にアダマント("adamant", 日本語で「無砕石」と訳される)と言われていた。ダイヤモンドのモース硬度は「10」で、地球上に存在する物質の中で最も硬い。結晶構造は、各炭素原子が隣り合う4つの原子を共有結合により結合しているため、極めて硬い構造を有する。窒化ホウ素はダイヤモンドと同じ閃亜鉛鉱構造をしている為、ダイヤモンドの硬度とほぼ等しい。現在はという仮想の物質がダイヤモンドと同じ、或いはそれ以上の硬度をもつと予測されている。ナノサイズの粒径を有する一部のダイヤモンド粉末は大きな結晶のダイヤモンドよりも硬く、靱性もある為、研磨材としての利用価値が高い.。ダイヤモンドテストに必要なこれらの超硬材料を利用するためには、ダイヤモンドの硬さに関する正確な数値を調査しなければならない。純粋なダイヤモンド結晶の[111]方向(立方晶の最長の対角線)に垂直な面をハイパーダイヤモンドの圧子先端で引っ掻いたところ、167GPaの硬度を計測した。一方、そのハイパーダイヤモンドの硬度は他のハイパーダイヤモンド圧子で測ると310GPaであった。この試験は検査対象物よりも硬い圧子先端で行っているため、正確な測定が可能である。恐らくハイパーダイヤモンドの硬度は最大でも310GPaと推測される。 文章: ダイヤモンド 工業用ダイヤモンドには用途により、数ナノメートルから数ミリメートルまでの粒径、形状、破砕性、表面状態などによる多くの品種がある。また、前述のバイトは超硬合金を基板にダイヤモンドをコバルトなどと共に焼結することによって得られるダイヤモンド焼結体を指すこともある。しかしながら、ダイヤモンドは高温下で鉄 (Fe)、コバルト (Co)、ニッケル (Ni) と容易に化学反応を起こす、などの性質のために、鋼など鉄基合金や耐熱合金の切削には適さない。ダイヤモンドが使用できない分野では、代わりに立方晶窒化ホウ素 (cubic Boron Nitride, cBN) の焼結体(「ボラゾン」)を用いる。 文章: 同素体 典型的な例としてよく取り上げられるものに、ダイヤモンドと黒鉛(グラファイト)がある。炭素の同素体である両者は硬度以外にも、透明度や電気伝導性が大きく異なるが、これはダイヤモンドの分子(正四面体の格子)とグラファイトの分子(平面的な六方格子の層)の構造に大きな違いがあるためで、物性における分子構造の重要性を示す例となっている。 文章: 炭化ホウ素 炭化ホウ素(組成式は ほぼBC)はホウ素と炭素からなる超硬素材で、戦車の装甲や、防弾チョッキなど様々な工業的用途がある。モース硬度は9.497で、立方晶窒化ホウ素や、ダイヤモンドに次ぐ硬さを持つ。 文章: ホウ素 窒化ホウ素は様々な構造を取り、それらはダイヤモンドやカーボンナノチューブを含む炭素の同素体に似た構造を取る。ダイヤモンド様の構造をした窒化ホウ素は立方晶窒化ホウ素と呼ばれ、ホウ素原子はダイヤモンドの四面体構造における炭素原子の位置に存在しているが、4つのB-N結合の内の一つは配位結合と見ることができる。すなわち、三フッ化ホウ素の場合と同様に、3つの窒素原子とホウ素原子が結合することで3つのB-N結合と1つの空軌道が形成され、窒素の2つの電子がルイス塩基としてホウ素上の空軌道へ供与されることで4つ目のB-N結合が形成されることとなる。立方晶窒化ホウ素はダイヤモンドに匹敵する硬さを有しているため研磨剤に用いられる。黒鉛様の六方晶窒化ホウ素 (h-BN) は正の電荷を持つホウ素と負の電荷を持つ窒素が交互に配列した平面構造が層状に積み重なったを構造を取る。そのため、六方晶窒化ホウ素とグラファイトは共に層間の滑りによる潤滑性を示すという類似した性質もあるものの、非常に異なった性質も示す。例えば、黒鉛は優れた熱伝導性および電気伝導性を示すが、h-BNは平面方向の熱伝導性および電気伝導性が比較的乏しい。 文章: ダイヤモンドの物質特性 天然の青色ダイヤモンドにはホウ素が不純物として含まれる為、半導体として性質を有する。それ以外のダイヤモンドは優れた電気絶縁体で、100 GΩ・m から 1 EΩ・m (10 - 10 Ω・m ) の値をとる。オーストラリアのアーガイル鉱山では青色また青みのかかった灰色のダイヤモンドが採掘され、これには水素が豊富に含まれている。しかし、これらのダイヤモンドは半導体には向かず、実際に水素が青灰色に呈する原因なのかどうか明らかではない。自然に青色を帯びたダイヤモンドはホウ素を含み、合成ダイヤモンドにホウ素をドープし、p型半導体として利用できる。n型半導体のダイヤモンド膜は化学気相蒸着法によりリンをドープすることにより作製できる。PN接合を施したダイオードや紫外線発光ダイオード(波長235nm)はp型とn型の層を連続的に堆積させて生産されている。 文章: ダイヤモンド 19世紀末のアンリ・モアッサンの実験など、ダイヤモンドを人工的に作ることは古くから試みられてきたが、実際に成功したのは20世紀後半になってからである。1955年3月に米国のゼネラルエレクトリック社(現ダイヤモンド・イノベーションズ社)が高温高圧合成により初めてダイヤモンド合成に成功したこと。上述の発表後に、スウェーデンのASEA社がゼネラル・エレクトリック社よりも数年前にダイヤモンド合成に成功していたという発表がされた。ASEA社では宝飾用ダイヤモンドの合成を狙っていたため、ダイヤモンドの小さな粒子が合成されていたことに気づいていなかった。現在では、ダイヤモンドを人工的に作成する方法は複数が存在する。高温高圧法(High Pressure High Temperature, HPHT。静的高温高圧法と動的高圧高温法がある)は、炭素に1,200 - 2,400°C、55,000 - 100,000気圧の高温高圧をかけてダイヤモンドを合成する。静的高温高圧法では、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、塩化ナトリウムなどの触媒や窒素などの不純物の混入などで黄、緑、黒やこれらの混合した色等の結晶として生成され、主に工業用ダイヤモンドとして研磨や切削加工(ルータービットやヤスリ、ガラス切り)に利用されている。高温高圧法は1日程度の加圧加温で合成されるが、1週間程度に加圧加温を延長して結晶の成長を促せば、宝飾品レベルのダイヤモンドは人工的に合成可能である。技術的な面では何も問題は無く、単純な採算性の問題となっている。 文章: ダイヤモンド類似石 ダイヤモンド類似石は、その化学特性、物理特性、 内部構造がダイヤモンドのそれと、一部あるいは全部が異なっている。それに対して、人工合成ダイヤモンドは天然ダイヤモンドと同じ物理・化学特性を有している。ちなみに資産価値については、現在は他の宝石同様、天然ダイヤのほうが価値がある。 文章: ダイヤモンドライクカーボン DLCは構成する炭素の混成軌道の割合と水素含有の有無が性質に影響する。また新たな特性を持たせるためにケイ素やニッケル、クローム、タングステンなどの元素を含有させる事もある。 文章: アザフラーレン アザフラーレン(Azafullerene)は、炭素原子が窒素原子で置換されたヘテロフラーレンである。また、ダイヤモンドより硬いと予測される六方晶窒化炭素を含む窒化炭素の分類にも入る。 文章: 研磨材 次に、ダイヤモンドと炭化ケイ素とは、鉄と鋼の研削研磨には向かないという化学的な宿命がある。磨きあるいは削る仕事は、むしる側とむしられる側との激しい接触のもとに行われ、鉄鋼は、銑鉄の組成の4.25%まで炭素を含有できるので、ダイヤモンドや炭化ケイ素の砥石で研削研磨すれば、鉄鋼は炭素を吸収し、砥石を急激に減耗させる。鉄鋼は炭化ケイ素中のケイ素も吸収する。量的に重要な相手先である鉄鋼に対しては、立方晶窒化ホウ素とコランダム質研磨材の出番となる。 文章: ダイヤモンドの物質特性 宝石学専門の研究所ではダイヤモンドを天然か人工的に作製されたものか、また天然物に科学的な方法で着色させたものかどうか検査するための分光器を使用している。この分光器で赤外線、可視光、紫外線の吸収スペクトル、またダイヤモンドの蛍光スペクトルをも分析している。通常では認識されないスペクトルを検知するためダイヤモンドを液体窒素で冷却しながら測定している。 文章: ダイヤモンドの物質特性 ダイヤモンドは様々な色を示す。ダイヤモンドの構造的な欠陥や不純物の存在により結晶構造に欠陥が生じ、その結果着色したダイヤモンドが生成される。理論的には、純粋なダイヤモンドは無色透明である。ダイヤモンドは不純物である窒素元素の有無により、主に2つの型(タイプ)に区別され、タイプごとに結晶欠陥や光の吸収スペクトルが異なる。またダイヤモンドの色を青や黄色などに、人工的に変化させる技術も確立している。サイクロトロンによるプロトン照射、核反応器を用いた中性子衝撃、そしてヴァンデグラフ起電機の電子照射により変色させる。これらの高エネルギー粒子は物理的に結晶格子を変化させ、炭素原子を本来あった場所から弾き飛ばすことで、格子欠陥の色中心を引き起こす。ダイヤモンドに色をより定着させるには、照射技術とその持続時間に関係し、時にはダイヤモンドが放射能を有する可能性がある。 文章: 炭素 黒鉛から人工ダイヤモンドを作る技術は1880年頃から取り組まれ、昭和28年(1953年)頃には3000 °C13万気圧下で実現し、年間1億カラット以上が生産されている。ダイヤモンドは宝飾用のほかカッターや研磨材また電極としても利用されている。さらには次世代型半導体としても研究されている。 文章: ダイヤモンド窒素-空孔中心 通常、量子状態はたいへん壊れやすいが、ダイヤモンドの場合は結合が強く硬いため「バンドギャップ」が広く、数百°C以上の高いエネルギーを加えてもこの電子を放出しないという性質があり、このことがスピンの安定に役立っていて、スピンの量子情報を壊す原因として、結晶構造の変形のしやすさを表す指標である「弾性係数」や、他の不純物や欠陥が持つスピンの存在などがあるものの、ダイヤモンドは硬く、また不純物や欠陥については炭素という1種類の元素からできているので、近年、合成技術が進歩したことで不純物や欠陥の影響を除去しやすく、スピンが持つ量子情報を室温で長く保持させることに貢献していて十分長く量子特有の「重ね合わせ状態」を保持できる。現時点では室温で一個のスピンを操作したり、検出したり、観測できるのは、ダイヤモンド中のNV中心のみとされる。