專利名稱：通過離子注入和熱處理制備有色金剛石的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備有色金剛石的方法，更具體而言，涉及一種通過離子注入和熱處理制備有色金剛石的方法。
背景技術：
通常，在從無色至黑色的大范圍內(nèi)收集到天然金剛石。在這些金剛石中，沒有雜質(zhì)的無色金剛石具有最高的價值且具有稀有顏色的金剛石具有較高的價值。但是，人工合成的用于工業(yè)的金剛石含有雜質(zhì)如用作催化劑的材料，因而具有某種顏色。人造金剛石具有高硬度和耐酸性，然而其作為珠寶的價值很低。因而，已經(jīng)開發(fā)了通過使用本文中描述的技術、人工著色低價值的天然和人造金剛石以解決上面所述的問題的方法。
常規(guī)的金剛石著色方法包括放射性輻射，表面擴散和離子注入。
首先，放射性輻射利用通過向?qū)毷谋砻孑椛涓吣芰Ｗ觼碇摲墙饘賹毷脑?，以引起在亞表?sub-surface)中的點缺陷從寶石的表面至更深的內(nèi)部。但是，從非金屬寶石連續(xù)地發(fā)射放射性，且該方法具有一個缺點，即考慮到放射性材料的半衰期，它需要超過10年的長時間，直到放射性降低至安全的水平。
據(jù)報道，通過與高能粒子如電子、中子、質(zhì)子、γ-射線和α-粒子的碰撞，金剛石的顏色可以從淡黃色變?yōu)樯蕣Z目的藍色、綠色、褐色、橙色、很深的綠色和黃色。當金剛石曝露于γ-射線(通常使用60Co)時，在具有褐色或褐綠色外觀的金剛石中形成藍或黃色中心。備選地，當由所謂的直線加速器處理的電子束輻照金剛石時，金剛石具有深綠色，并且不需要的殘余黃色可以通過后輻照熱處理來除去。從中等至暗灰藍的藍色可以通過在核能反應器中的高速中子輻照金剛石來得到，并且這種顏色被稱為似鋼的或墨黑的。據(jù)報道，該顏色長期保留，即使沒有后輻照熱處理。在核能反應器中著色金剛石的情況下，直線加速器處理和金剛石的商用處理的裝置由于放射性需要NRC法規(guī)的許可。深藍色可以通過在核能反應器中的復雜處理、直線加速器處理和熱擴散處理來得到。通過該方法得到的顏色稱為Electra藍、Super藍、New藍、Swiss藍、Max藍、American藍、或Super天藍。
但是，除了γ-射線和中子輻照外，放射性輻照通常改變靠近金剛石表面的顏色，并且引起傘狀顏色分區(qū)或不規(guī)則著色。
第二，熱擴散技術是一種通過加熱在爐子中的金剛石而從表面擴散氣體成分的方法，其中在粉末或液體形式的金剛石周圍可以施用氣體金屬成分，并且將金剛石加熱至特定的溫度。該方法是具有經(jīng)濟上的優(yōu)點，即只需要高溫爐，避免了金屬滲出物的氧化。但是，該方法具有這樣一個問題，即由于表面的不同結(jié)晶學方向?qū)е碌臄U散速率的差別可以引起不規(guī)則的顏色變化，并且該顏色變化是如此地細微，以致于即使在細珠寶如金剛石的情況下用肉眼也不能識別。該方法利用涂布然后焙燒的顯色法，且如果涂層是非常合理的，該顏色可以精細地變化。但是，該方法具有這樣一個缺點，即當涂層磨損或剝離時，珠寶的外觀變得難看，并且顏色回到初始狀態(tài)。
在某些情況下，通過在高壓下加熱金剛石以除去或減少彩色中心，將金剛石的顏色變?yōu)闊o色，淺桃紅或淡藍色。該方法已由GE開發(fā)，并且由該方法制備的金剛石由Pegasus Overseas Limited(POL)以名稱“GE POL”出售。
最后，離子注入法是一種在高真空中將加速的金屬離子注入金剛石表面的方法，且具有這樣一個特性，即根據(jù)離子的種類，可以進行各種顯色。但是，該方法具有這樣的缺點，即需要昂貴的離子注入裝置，并且離子注入的深度不低于1μm，金剛石的最終的顏色外觀低于天然金剛石的，在注入的過程中發(fā)生表面損壞。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的在于通過解決在常規(guī)離子注入法中的問題，提供一種具有均勻顏色的有色金剛石的制備方法。可以由一種簡單的方法低成本地制備有色金剛石。
為了達到上面所述的目的，根據(jù)本發(fā)明的有色金剛石的制備方法包含通過真空中加速離子來向金剛石的表面注入離子的第一步驟和熱處理該離子注入金剛石的第二步驟。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明，剛好在注入1017氮離子/cm2之后的金剛石與后來的于650℃真空中熱處理2小時后的金剛石之間顏色變化的照片。
圖2a所示為根據(jù)本發(fā)明，剛好在離子注入后的有色金剛石中的氮的化學態(tài)的X-射線光電子光譜的分析曲線圖。
圖2b所示為根據(jù)本發(fā)明，在離子注入后，在氬氣氣氛中，于650℃熱處理2小時的有色金剛石中的氮的化學態(tài)的X-射線光電子光譜的分析曲線圖。
圖2c所示為根據(jù)本發(fā)明，在離子注入后，在空氣中，于650℃熱處理2小時的有色金剛石中的氮的化學態(tài)的X-射線光電子光譜的分析曲線圖。
圖3所示為根據(jù)本發(fā)明，在離子注入后，在氬氣氣氛中熱處理的有色金剛石與在空氣中熱處理的有色金剛石之間比較的照片。
優(yōu)選實施方案詳述現(xiàn)在，將參考附圖，更充分地描述本發(fā)明的實例實施方案。應當理解的是，本發(fā)明可以具體化為許多不同的形式，并且不應當認為限制為其中所規(guī)定的具體實施方案。
根據(jù)本發(fā)明的制備有色金剛石的方法利用通過注入離子以感應金剛石中的光帶隙而顯色的現(xiàn)象。金剛石的顏色可以通過加入雜質(zhì)或產(chǎn)生空位來改變。如果將特定的離子注入至由碳組成的金剛石晶體的晶格中，在晶格中感應的該離子分別作為電子供體或受體起作用，由此即使由可見光，也可以將在階帶中的電子躍遷至導帶能級，導致所發(fā)射的顏色改變。
本發(fā)明利用上面所述的原理，并且提供一種兩步制備有色金剛石的方法。
在第一步驟中，真空中加速離子且注入至金剛石的表面。
通過將離子注入至碳晶格中或在金剛石的晶體中形成缺陷晶格，該離子引起金剛石中的光禁帶改變，且具有引起顯色變化的作用。可以將所有類型的離子應用于形成缺陷晶格。但是，優(yōu)選使用選自包括下列的組的離子Be，B，N，O，Mg，Al，P，S，In，Sb，Te，Tl和Bi，且更優(yōu)選使用N或B。備選地，可以以單一的離子或多種離子的形式向金剛石的表面注入所述的離子?？梢愿鶕?jù)離子的種類和顏色的濃度控制離子的注入量，優(yōu)選注入密度為5×1015-5×1018離子/cm2且離子能為50-100keV。
在此步驟中，使用離子注入機向金剛石的表面注入離子，且可以使用能力低于100keV的離子注入機?，F(xiàn)有技術中必須使用昂貴的離子注入機進行離子注入。但是，本發(fā)明可以通過使用低能力的離子注入機來解決該經(jīng)濟問題。
在第二步驟中，通過熱處理來處理離子注入的金剛石。
在離子注入之后立即進行熱處理，以改善金剛石中不規(guī)則的顯色至均勻的顏色。該熱處理使注入的離子擴散，且使離子在金剛石的表面上分布均勻。該熱處理是在真空中或隋性氣體氣氛中進行的，并且可以將氮、氦或氬用作隋性氣體。該熱處理是在500℃以上的溫度下進行的。如果溫度低于500℃，不能得到均勻的顏色，因為沒有使注入的離子滿意地擴散。
此外，通過適宜地控制離子和熱處理的條件，可以得到永久的顯色效果。
具體實施例方式
實施例1制備有色金剛石將約0.01克拉的人造和天然金剛石安置在離子注入機的真空工作腔中的輻照夾具處，并且通過用質(zhì)譜儀，將由離子源供給的離子分離為單價的氮離子，并加速離子，以1017離子/cm2的離子密度和70keV的能量注入。用氮離子注入的金剛石然后在氬氣氣氛中于650℃熱處理2小時。
圖1所示為通過上面所述的方法制備的金剛石的照片。左邊和右邊的照片分別表示熱處理之前和之后的注入金剛石。
當將熱處理前的金剛石與熱處理后的金剛石進行比較時，熱處理前的金剛石具有不規(guī)則的顯色，其是由金剛石的幾何因子引起的。表明，通過在惰性氣體氣氛中的熱處理，將金剛石的顏色改變?yōu)榫鶆虻暮谏?。這表明，注入的氮成分通過擴散而均勻地分布在表面上。離子注入前的金剛石顯示淡黃色，其是由在金剛石的制備過程中由雜質(zhì)如硼引起的。
實驗1用X-射線光電子分光鏡化學分析注入的氮通過X-射線光電子分光鏡分析了注入的氮的N1s化學態(tài)，以發(fā)現(xiàn)通過氮離子注入的熱處理顯色改變的機理。用于分析的X-射線光電子分光鏡是Physical Electronics的Phi 5800型。通過向樣品輻射X-射線且用光電子分光鏡測量氮的1s電子的結(jié)合能，可以確定氮的化學結(jié)合。如果氮與金剛石中的碳結(jié)合，可以認為顯色是足夠穩(wěn)定的，不受通常使用條件的影響。
圖2a、2b和2c所示分別為離子注入后即刻，離子注入后在氬氣氣氛中于650℃熱處理2小時和離子注入后在空氣中于650℃熱處理2小時的金剛石的光譜曲線圖。
如圖2a中所示，在注入后即刻的金剛石中氮元素的存在是明顯的。估計是在金剛石中生成了非化學計量的C-N化合物，由此離子注入后即刻的金剛石顯示不規(guī)則的黑色(在圖1左側(cè)的照片)。
如圖2b所示，在注入后的氬氣氣氛中熱處理過的金剛石的密度降低，表明生成化學計量的C-N(C3N4)化合物的趨勢。可以識別的是，熱處理的金剛石顯示均勻的黑色，其不是臨時的顏色而是永久性的顏色。
與上面所述的結(jié)果相比，圖2c表明在離子注入后在空氣中熱處理過的金剛石中未檢出氮。
實驗2測量根據(jù)熱處理氣氛的顯色效果為了確定根據(jù)熱處理氣氛的顯色效果，采用與實施例1的相同方法制備的金剛石和采用與實施例1相同的方法但用空氣代替氬氣氣氛制備的金剛石之間，進行外觀的比較。
圖3中，上面的照片表示由實施例1制備的金剛石，而下面的照片表示在空氣中熱處理的金剛石。
如圖3中所示，確定的是，當?shù)x子注入后在空氣中熱處理金剛石時，顯色效果消失。這表明熱處理條件是重要的，且當用1017離子/cm2的氮離子濃度進行離子注入且在空氣中，于650℃進行熱處理2小時時，由離子注入顯示的顏色返回至初始的狀態(tài)。估計在與碳反應生成穩(wěn)定化合物之前，注入的元素通過與空氣接觸而被還原，所述碳是金剛石的構成組分。在照片中的黑色金剛石的中心部分出現(xiàn)不同顏色的原因在于來自顯微鏡的光反射。如果用肉眼觀察，則沒有區(qū)別。
如上所述，通過注入離子感應金剛石中的光帶隙，根據(jù)本發(fā)明的有色金剛石的制備方法與現(xiàn)有技術中的金屬離子注入法相比，提供相對低成本的有色金剛石，并且通過熱處理，得到均勻的顏色。此外，本發(fā)明的制備方法通過控制離子注入和熱處理的條件提供具有永久顯色效果的各種顏色的金剛石。
權利要求
1.一種制備有色金剛石的方法，該方法包括通過在真空中加速離子向金剛石的表面注入離子的第一步驟，和熱處理該離子注入的金剛石的第二步驟。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備有色金剛石的方法，其中所述的離子選自Be，B，N，O，Mg，Al，P，S，In，Sb，Te，Tl和Bi中的一種。
3.根據(jù)權利要求1所述的制備有色金剛石的方法，其中所述的離子是以單一的離子或多種離子的形式注入到金剛石的表面的。
4.根據(jù)權利要求1所述的制備有色金剛石的方法，其中所述的熱處理是在真空中或惰性氣體氣氛中進行的。
5.根據(jù)權利要求4所述的制備有色金剛石的方法，其中所述的惰性氣體是氮，氦或氬。
6.根據(jù)權利要求1所述的制備有色金剛石的方法，其中所述的熱處理是在高于500℃的溫度下進行的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備有色金剛石的方法，更具體而言，涉及一種通過離子注入和熱處理制備有色金剛石的方法。該制備方法包含通過在真空中加速離子向金剛石的表面注入離子的第一步驟和熱處理該注入的金剛石的第二步驟。通過注入離子引起金剛石的光帶隙改變，該制備方法相對于現(xiàn)有技術中的金屬離子注入法提供相對低成本的有色金剛石，并且通過熱處理得到均勻的顏色。此外，本發(fā)明的制備方法通過控制離子注入和熱處理的條件提供具有永久顯色效果的各種顏色的金剛石。
文檔編號C23C14/58GK1664162SQ20051005315
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月4日 優(yōu)先權日2004年3月4日
發(fā)明者樸在元, 李在瀅, 孫昌源, 崔炳虎 申請人:韓國原子力研究所