多晶金剛石及其制法、劃線工具、劃線輪、修整器、旋轉(zhuǎn)工具、水射流噴嘴、拉絲模具、切削 ...的制作方法
【專利摘要】納米多晶金剛石(1)包含碳、以原子水平遍及分散在碳中的方式添加的非碳外來元素(3)、以及不可避免的雜質(zhì)。所述多晶金剛石的晶粒尺寸為500nm以下，并且可以通過在高壓壓制裝置中對石墨進(jìn)行熱處理來制造，其中所述石墨中添加了非碳外來元素從而以原子水平遍及分散在碳中。
【專利說明】多晶金剛石及其制法、劃線工具、劃線輪、修整器、旋轉(zhuǎn)工
具、水射流噴嘴、拉絲模具、切削工具、以及電子發(fā)射源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多晶金剛石及其制造方法、劃線工具、劃線輪、修整器、旋轉(zhuǎn)工具、水射流噴嘴、拉絲模具、切削工具、以及電子發(fā)射源，特別涉及具有納米尺寸的晶粒且其中均勻添加了除了碳以外的元素的金剛石(以下稱為“添加了不同種類的元素的納米多晶金剛石”)、添加了 III族元素的納米多晶金剛石、添加了 V族元素的納米多晶金剛石、它們的制造方法、以及包含該多晶金剛石的各種工具和電子發(fā)射源。
【背景技術(shù)】
[0002]近來已經(jīng)闡明了納米多晶金剛石燒結(jié)體具有超過天然單晶金剛石的硬度并且具有作為工具的優(yōu)異性質(zhì)。雖然納米多晶金剛石本質(zhì)上是絕緣體，但是通過添加其他元素(例如適當(dāng)?shù)膿诫s物)，可以為金剛石提供諸如導(dǎo)電性等進(jìn)一步的功能。而且，通過適當(dāng)選擇添加到金剛石中的元素，可以改變金剛石的各種性質(zhì)，例如光學(xué)特性、電學(xué)特性、以及機(jī)械特性。
[0003]例如，如E.A.Ekimov 等,Nature,第 428 卷(2004 年)，第 542 至 545 頁中所示，通過形成其固溶體以向石墨中添加摻雜物的方法可以作為向金剛石中添加能夠提供導(dǎo)電性的摻雜物的方法。
[0004]雖然如上所述納米多晶金剛石本質(zhì)上是絕緣體，但是通過向金剛石中添加充當(dāng)受體的元素能夠?yàn)榻饎偸峁?dǎo)電性。上述文獻(xiàn)描述了添加了硼的金剛石的合成方法。
[0005]此外，通過向金剛石中添加充當(dāng)供體的元素能夠?yàn)榻饎偸峁?dǎo)電性。例如，日本專利公開N0.2010-222165描述了一種包含能提供導(dǎo)電性的元素的金剛石層。雖然特別是n型金剛石能夠發(fā)射出電子，但是卻不可能通過高溫和高壓合成獲得摻雜有高濃度供體的n型金剛石。為了解決該問題，有人報(bào)`道了通過氣相合成(CVD)進(jìn)行磷摻雜的例子。然而，通過這個方法，實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜或引入磷以外的摻雜物是
[0006]非常困難的。
[0007]引用列表
[0008]專利文獻(xiàn)
[0009]專利文獻(xiàn)1:日本專利公開N0.2010-222165
[0010]非專利文獻(xiàn)
[0011 ]非專利文獻(xiàn) I:E.A.Ekimov 等,Nature,第 428 卷(2004 年)，第 542 頁至 545 頁
【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]技術(shù)問題
[0013]然而如上所述，通過形成其固溶體而向石墨中添加摻雜物的方法，難以將摻雜物以原子水平分散在石墨中。因此，摻雜物將不均勻地分布在石墨中。當(dāng)將其中摻雜物如此不均勻分布的石墨直接轉(zhuǎn)化為金剛石時(shí)，在摻雜物濃度高的部分中金剛石的晶粒將會局部變大。從而，金剛石的晶粒尺寸將會大約從數(shù)十nm到數(shù)百變化。因此，難以獲得晶粒的納米尺寸都相同的經(jīng)摻雜的納米多晶金剛石。另外，當(dāng)將其中形成了含摻雜物的固溶體的石墨直接轉(zhuǎn)化為金剛石時(shí)，也會產(chǎn)生摻雜物簇。
[0014]在形成含摻雜物的石墨固溶體時(shí)，通常采用單個元素充當(dāng)摻雜物，或者采用元素的氧化物、氫化物、或鹵化物這樣的化合物充當(dāng)摻雜物。然而，當(dāng)采用這樣的物質(zhì)時(shí)，摻雜物的氫化物、氧化物等也將會殘留或生成化合物。由于其催化作用，所得金剛石的晶?？赡芫植孔兊卯惓４?。
[0015]下一種可能的方法是這樣一種方法:將石墨粉末和摻雜物粉末盡可能細(xì)地粉碎，進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，然后混合這些粉末，對這些粉末進(jìn)一步進(jìn)行加熱反應(yīng)處理，并采用所得粉末作為原材料。
[0016]然而，通過這種方法難以在原子水平上混合石墨與摻雜物，并且大部分摻雜物原子會形成至少兩個或更多個原子聚集的簇。因此，石墨中容易出現(xiàn)摻雜物的濃度分布，并且由石墨制得的金剛石的晶粒也趨向于局部地快速生長。因此，在該技術(shù)的情況下，也難以獲得具有相同納米尺寸的晶粒的經(jīng)摻雜的納米多晶金剛石燒結(jié)體。
[0017] 在將除了摻雜物以外的元素添加到金剛石中的情況下，同樣也會發(fā)生上述問題。
[0018]通過上述非專利文獻(xiàn)I中描述的方法，使石墨與B4C彼此反應(yīng)以形成石墨與硼的固溶體。然而，在該方法的情況下，也難以將硼以原子水平分散在石墨中。因此，當(dāng)將其中形成了含硼的固溶體的石墨直接轉(zhuǎn)化為金剛石時(shí)，將再次產(chǎn)生摻雜物簇等。另外，在形成含硼的石墨固溶體時(shí)，會產(chǎn)生硼的氫化物、氧化物等。由于其催化作用，所得金剛石的晶粒尺寸可能會局部變得異常大。因此，難以制造具有相同晶粒尺寸的硼添加的納米多晶金剛石。
[0019]然后，下一種可能的方法可列舉以下方法:如上述情況，將石墨粉末和諸如硼的受體元素的粉末盡可能細(xì)地粉碎，進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，然后混合這些粉末或者對這些粉末進(jìn)一步進(jìn)行加熱反應(yīng)處理，并采用所得粉末作為原材料。
[0020]然而，通過這種方法還是難以單獨(dú)將受體原子與石墨粉末混合，并且大部分受體原子會形成其中至少兩個或更多個原子彼此鄰近的簇。因此，金剛石中容易出現(xiàn)受體元素的濃度分布。從而，金剛石的晶粒趨向于局部地快速生長，并難以獲得具有均勻納米尺寸的晶粒的納米多晶金剛石。
[0021]另一方面，通過向金剛石中添加充當(dāng)供體的元素能夠?yàn)榻饎偸峁﹏型導(dǎo)電性。具有n型導(dǎo)電性的金剛石具有如上所述的電子發(fā)射特性。利用這些特性，能夠?qū)⒕哂衝型導(dǎo)電性的金剛石用于(例如)電子槍中。
[0022]作為制造具有導(dǎo)電性的金剛石的技術(shù)，人們已經(jīng)知道單晶合成或氣相合成。然而，不論采用單晶合成和氣相合成中的任何一個技術(shù)，都非常難以制造其中均勻添加了供體元素并且具有n型導(dǎo)電性的納米多晶金剛石。
[0023]例如，利用將石墨直接轉(zhuǎn)換為金剛石的技術(shù)，已經(jīng)認(rèn)為可以用供體對金剛石進(jìn)行摻雜，因?yàn)楣w原子可被限制在金剛石中。然而實(shí)際上，形成作為原材料的石墨與供體原子的均勻的固溶體仍然極其困難。
[0024]用最簡單的方式向金剛石中添加供體原子的方法可以列舉這樣的方法:將石墨粉末和供體元素粉末盡可能細(xì)地粉碎，進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，然后混合這些粉末或者對這些粉末進(jìn)一步進(jìn)行加熱反應(yīng)處理，并采用所得粉末作為原材料。然而，用這種方法難以單獨(dú)將供體原子與石墨粉末混合，并且大部分供體原子會形成其中至少兩個或更多個原子彼此鄰近的簇。因此，金剛石中容易出現(xiàn)供體元素的濃度分布。從而，金剛石的晶粒趨向于局部地快速生長，并難以獲得具有均勻納米尺寸的晶粒的納米多晶金剛石。
[0025]本發(fā)明是鑒于上述問題而做出的，并且本發(fā)明的一個目的是提供通過向金剛石中均勻地添加除了碳以外的元素而獲得的納米多晶金剛石、及其制造方法。
[0026]本發(fā)明的另一目的是提供通過以前所未有的水平向金剛石中均勻地添加受體元素而獲得的納米多晶金剛石及其制造方法、包含該多晶金剛石的劃線工具、劃線輪、修整器、旋轉(zhuǎn)工具、水射流噴嘴、拉絲模具和切削工具。
[0027]本發(fā)明的又一目的是提供通過向金剛石中均勻地添加供體元素而獲得的納米多晶金剛石及其制造方法、以及由該多晶金剛石制成的電子發(fā)射源。
[0028]問題的解決方案
[0029]根據(jù)本發(fā)明的多晶金剛石由碳、不同種類的元素、以及不可避免的雜質(zhì)組成，其中所述不同種類的元素是除了碳以外的元素并且該元素是以原子水平分散在碳中的方式添加的。該多晶金剛石的晶粒尺寸大約不大于500nm。
[0030]所述不同種類的元素優(yōu)選作為替代的孤立原子分散在碳中。該不同種類的元素的濃度為(例如)大約不低于I X IO1Vcm3且不高于I X 1022/cm3。所述多晶金剛石可通過燒結(jié)石墨來制造，該石墨是通過在不低于1500°C的溫度下對包含所述不同種類的元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物進(jìn)行熱分解而獲得的。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的制造多晶金剛石的方法包括以下步驟:制備石墨，其中，該石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的作為除了碳以外的元素的不同種類的元素；以及通過在高壓壓制裝置內(nèi)對石墨進(jìn)行熱處理以直接將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。
[0032]在將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的所述`步驟中，優(yōu)選地，在不添加燒結(jié)助劑或催化劑的情況下在高壓壓制裝置內(nèi)加熱石墨。制備石墨的步驟可以包括通過下述方式在基材上形成其中已添加有所述不同種類的元素的石墨的步驟，所述方式為:將包含所述不同種類的元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物引入真空室內(nèi)并在不低于1500°C的溫度下對所述氣體混合物進(jìn)行熱分解。在將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的步驟中，可以在高壓壓制裝置內(nèi)對形成于基材上的石墨進(jìn)行熱處理。所述氣體混合物優(yōu)選朝向基材的表面供給。例如，甲烷氣體可以用作該烴類氣體。
[0033]根據(jù)本發(fā)明另一方面的多晶金剛石由碳、以原子水平分散在碳中的方式添加的III族元素、以及不可避免的雜質(zhì)組成。該多晶金剛石的晶粒尺寸(晶粒的最大長度)大約不大于500nm。
[0034]所述III族元素優(yōu)選作為替代的孤立原子分散在碳中。所述III族元素的濃度為(例如)大約不低于1父1014/(^3且不高于1\ 1022/(^3。所述多晶金剛石可以通過燒結(jié)石墨來制造，該石墨是通過在不低于1500°c的溫度下對包含所述III族元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物進(jìn)行熱分解而獲得的。
[0035]根據(jù)本發(fā)明另一方面的制造多晶金剛石的方法包括以下步驟:制備石墨，其中，該石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的III族元素；以及通過在高壓壓制裝置內(nèi)對石墨進(jìn)行熱處理以將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。
[0036]在將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的步驟中，優(yōu)選地，在不添加燒結(jié)助劑或催化劑的情況下在高壓壓制裝置內(nèi)對石墨進(jìn)行熱處理。所述制備石墨的步驟可以包括通過下述方式在基材上形成石墨的步驟，所述方式為:將包含所述III族元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物引入真空室內(nèi)并在不低于1500°C的溫度下對該氣體混合物進(jìn)行熱分解。在將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的步驟中，可以在不低于SGPa的高壓和1500°C或更高的溫度下形成于所述基材上的石墨進(jìn)行熱處理。該氣體混合物優(yōu)選朝向所述基材的表面供給。例如，甲烷氣體可以用作該烴類氣體。
[0037]該多晶金剛石可用于各種工具中，具體而言，該多晶金剛石可用于劃線工具、劃線輪、修整器、旋轉(zhuǎn)工具、水射流噴嘴、拉絲模具、以及切削工具中。
[0038]根據(jù)本發(fā)明又一個方面的多晶金剛石由碳、以原子水平分散在碳中的方式添加的V族元素、以及不可避免的 雜質(zhì)組成。該多晶金剛石的晶粒尺寸大約不大于500nm。
[0039]所述V族元素優(yōu)選作為替代的孤立原子分散在碳中。所述V族元素的濃度為(例如)大約不低于IXlO1Vcm3且不高于lX 1022/cm3。所述多晶金剛石可通過燒結(jié)石墨來制造，該石墨是通過在不低于1500°C的溫度下對包含V族元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物進(jìn)行熱分解而獲得的。
[0040]根據(jù)本發(fā)明又一個方面的制造多晶金剛石的方法包括以下步驟:制備石墨，其中，該石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的V族元素，并且該石墨的晶粒尺寸不大于10 i! m ;以及通過在高溫和高壓壓制裝置內(nèi)對石墨進(jìn)行熱處理以將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛
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[0041]在將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的步驟中，優(yōu)選地，在不添加燒結(jié)助劑或催化劑的情況下在高溫和高壓壓制裝置內(nèi)對石墨進(jìn)行熱處理。所述制備石墨的步驟可以包括通過下述方式在基材上形成石墨的步驟，所述方式為:將包含所述V族元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物引入真空室內(nèi)并在不低于1500°C的溫度下對該氣體混合物進(jìn)行熱分解。在將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的步驟中，可以在高溫和高壓壓制裝置內(nèi)對形成于所述基材上的石墨進(jìn)行熱處理。所述氣體混合物優(yōu)選朝向所述基材的表面供給。例如，甲烷氣體可以用作該烴類氣體。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射源由上述多晶金剛石制成。發(fā)明的有益效果
[0043]在根據(jù)本發(fā)明的多晶金剛石中，由于以原子水平分散在碳中的方式添加了不同種類的元素，因此能夠以前所未有水平的均勻性將不同種類的元素添加到金剛石中。
[0044]在根據(jù)本發(fā)明的制造多晶金剛石的方法中，由于轉(zhuǎn)化為多晶金剛石是通過在真空室內(nèi)對石墨(其中該石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的作為除了碳以外的元素的不同種類的元素)進(jìn)行熱處理來進(jìn)行的，因此能夠制得其中不同種類的元素以前所未有的水平均勻地添加的多晶金剛石。
[0045]在根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的多晶金剛石中，由于以原子水平分散在碳中的方式添加了 III族元素，因此能夠以前所未有水平的均勻性將III族元素添加到金剛石中，并且能夠?yàn)榧{米多晶金剛石提供P型導(dǎo)電性。
[0046]在根據(jù)本發(fā)明另一個方面的制造多晶金剛石的方法中，由于轉(zhuǎn)化為多晶金剛石是通過在真空室內(nèi)對石墨(其中該石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的III族元素)進(jìn)行熱處理來進(jìn)行的，因此能夠制得III族元素以前所未有的水平被均勻地添加的納米多晶金剛石，并且能夠?yàn)榧{米多晶金剛石提供P型導(dǎo)電性。
[0047]由于根據(jù)本發(fā)明的多晶金剛石還具有優(yōu)異的抗氧化性，因此其可用于諸如劃線工具、劃線輪、修整器、旋轉(zhuǎn)工具、水射流噴嘴、拉絲模具、以及切削工具等工具。
[0048]在根據(jù)本發(fā)明又一個方面的多晶金剛石中，由于以原子水平分散在碳中的方式添加 V族元素，因此能夠以前所未有水平的均勻性將V族元素添加到金剛石中，并且能夠?yàn)槎嗑Ы饎偸峁﹏型導(dǎo)電性。
[0049]在根據(jù)本發(fā)明又一個方面的制造多晶金剛石的方法中，由于轉(zhuǎn)化為多晶金剛石是通過在高溫和高壓壓制裝置內(nèi)對石墨(其中該石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的V族元素，并且該石墨的晶粒尺寸不大于10 u m,)進(jìn)行熱處理來進(jìn)行的，因此能夠制得V族元素以前所未有的水平被均勻地添加的多晶金剛石。雖然至少幾微米的顆粒通常發(fā)生偏析，但是根據(jù)本發(fā)明，V族元素能夠以無法用幾微米的分辨率區(qū)分的水平并且即使用諸如Spring8這樣的高強(qiáng)度X射線設(shè)備也無法確定金剛石以外的化合物的偏析的程度被均勻地添加到金剛石中，即，使得V族元素以基本上原子水平作為置換元素而存在于碳位置處。此外，可以為多晶金剛石提供n型導(dǎo)電性，并且該多晶金剛石具有電子發(fā)射特性。
[0050]由于根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射源由上述多晶金剛石制成，因此它同時(shí)具有優(yōu)異的電子發(fā)射特性和耐久性。
[0051]附圖簡要說明
[0052]圖1是示出了在基材上制造本發(fā)明的一個實(shí)施方案中的多晶金剛石的狀態(tài)的透視圖。
[0053]圖2是示出了在基材上制造本發(fā)明的另一實(shí)施方案中的多晶金剛石的狀態(tài)的透視圖。
[0054]圖3是示出了本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中添加了硼的納米多晶金剛石中雜質(zhì)分布的一個例子的圖。
[0055]圖4是示出了在基材上制造本發(fā)明的又一個實(shí)施方案中的多晶金剛石的狀態(tài)的透視圖。`
【具體實(shí)施方式】
[0056]以下將參照圖1來描述本發(fā)明的實(shí)施方案。
[0057]本實(shí)施方案中的添加了不同種類的元素的納米多晶金剛石包含不同種類的元素，添加該元素從而以原子水平分散在形成多晶金剛石本體的碳中。這里，“不同種類的元素”在本文中是指能夠被添加到金剛石中、除了形成金剛石的碳以外的元素，并且不是金剛石中包含的不可避免的雜質(zhì)。作為不同種類的元素，例如可以列舉氮、氫、III族元素、V族元素、硅、過渡金屬等金屬、稀土等。應(yīng)該注意的是，可以向金剛石中單獨(dú)添加單個的不同種類的元素，也可以向金剛石中同時(shí)添加多個不同類型的元素。
[0058]如圖1所示，本實(shí)施方案中的納米多晶金剛石I形成于基材2上，并且包含以原子水平均勻分散的不同種類的元素3。應(yīng)該注意的是，“以原子水平分散”在本文中是指(例如)這樣水平的分散狀態(tài):當(dāng)在真空環(huán)境中將碳和不同種類的元素在氣相狀態(tài)下混合并固化從而制成固體碳時(shí)，該不同種類的元素分散在固體碳中。即，該狀態(tài)是這樣的狀態(tài):沒有形成孤立析出的元素或者除金剛石以外的化合物。
[0059]可以通過對形成于基材上的石墨進(jìn)行熱處理來制造納米多晶金剛石I。石墨是完整的固體并且包含結(jié)晶部分。雖然在圖1的例子中多晶金剛石I具有平板形狀，但是它可以具有任意的形狀和厚度。在通過對形成于基材上的石墨進(jìn)行熱處理來制造納米多晶金剛石I的情況下，納米多晶金剛石I和石墨基本上具有相同的形狀。
[0060]在石墨形成的階段，可以將上述的不同種類的元素添加到石墨中。具體地，可通過在不低于1500°C的溫度下對包含不同種類的元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物進(jìn)行熱分解從而在基材上形成石墨，使得同時(shí)可將不同種類的元素添加到石墨中。因而，通過在氣相狀態(tài)下將不同種類的元素混合到用于石墨形成的原材料氣體中從而將不同種類的元素添加到石墨中，不同種類的元素就能夠以原子水平均勻地添加到石墨中。另外，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)包含不同種類的元素的氣體相對于烴類氣體的添加量，就能夠以原子水平均勻地添加所需量的不同種類的元素。
[0061 ] 氣體混合物可以在真空室內(nèi)進(jìn)行熱分解，并且此處通過將真空室內(nèi)的真空度設(shè)定為相對較高，能夠抑制雜質(zhì)被引入到石墨中。然而，實(shí)際上，石墨中無意識地引入了不可避免的雜質(zhì)。作為該不可避免的雜質(zhì)，可以列舉除了上述的不同種類的元素以外的元素，如氮、氫、氧、硼、娃、以及過渡金屬等。
[0062]本發(fā)明中用于制造添加了不同種類的元素的納米多晶金剛石的石墨中，各不可避免的雜質(zhì)的量均約為0.01質(zhì)量％或更低。即，石墨中不可避免的雜質(zhì)的濃度近似為不高于SIMS (二次離子質(zhì)譜)分析的檢出限。此外，石墨中過渡金屬的濃度近似為不高于ICP (電感耦合等離子體)分析或SIMS分析的檢出限。
[0063]從而，在石墨中雜質(zhì)的量降低到SMS分析或ICP分析的檢出限水平并且金剛石由該石墨制成的情況下，能夠制造除了刻意添加的不同種類的元素以外的雜質(zhì)量極小的金剛石。應(yīng)該注意的是，即使采用了包含稍微高于SIMS分析或ICP分析檢出限的雜質(zhì)的石墨，也能獲得特性顯著優(yōu)于常 規(guī)例子的金剛石。
[0064]本實(shí)施方案中的納米多晶金剛石以如上原子水平均勻地包含不同種類的元素并且其中雜質(zhì)的量也極小。在納米多晶金剛石中，不同種類的元素的原子不會在碳中聚集成簇，而是它們基本均勻地分散在整個金剛石中。理想的是，不同種類的元素的原子在碳中彼此孤立地存在。
[0065]如上所述，由于本實(shí)施方案中的納米多晶金剛石包含以原子水平分散在碳中的不同種類的元素，因此得到了不同種類的元素以前所未有的水平均勻添加至其中的納米多晶金剛石。此外，由于不同種類的元素能夠以原子水平均勻地分散在納米多晶金剛石中，因此能夠有效地向金剛石提供所需的性質(zhì)和功能。例如，通過添加適當(dāng)?shù)脑兀軌蛱岣呓饎偸臋C(jī)械特性；例如，能夠有效地增強(qiáng)金剛石的耐磨性。還能夠提高金剛石的電學(xué)特性；例如，能夠向金剛石提供導(dǎo)電性。此外，例如通過均勻地對金剛石著色，還能夠提高金剛石的光學(xué)特性。
[0066]例如，可以選擇氮作為不同種類的元素。這種情況下，氮能夠以原子水平分散在金剛石中。即，能夠孤立地將氮原子引入金剛石中。這里，氮原子以替代碳原子的狀態(tài)而存在于碳(金剛石體)中。即，氮原子不是簡單地被弓丨入碳中，而是處于氮原子與碳原子彼此化學(xué)鍵合的狀態(tài)。
[0067]通常，在2300°C如此高的溫度和20GPa如此高的壓力下，將含有氮作為孔中的氣體的石墨直接轉(zhuǎn)化為金剛石時(shí)，大約數(shù)百ppm的氮以聚集狀態(tài)引入金剛石中，而金剛石中孤立的氮大約是Ippm或更低。這些孤立的氮對金剛石的著色很重要，并且含有孤立氮的金剛石表現(xiàn)出黃色到橙色的顏色。當(dāng)該金剛石用電子束照射并在不低于600°C的高溫下加熱時(shí)，觀察到紅色或粉色的著色，這表明，通過上述處理，已經(jīng)產(chǎn)生了吸收550nm附近的光并發(fā)射638nm附近的光的缺陷，該缺陷被稱為NV (氮空穴)缺陷，其是氮和缺陷的組合。沒有作為替代原子并孤立存在的氮就不會產(chǎn)生該NV缺陷。另一方面，以聚集狀態(tài)被引入金剛石中的氮實(shí)質(zhì)上對金剛石的著色沒有貢獻(xiàn)。
[0068]本實(shí)施方案中添加了氮的納米多晶金剛石中，由于氮以原子水平分散在金剛石中，因此實(shí)質(zhì)上沒有以聚集狀態(tài)被引入金剛石中的氮。因此，當(dāng)納米多晶金剛石用電子束照射并在不低于600°C的高溫下加熱時(shí)，可以將金剛石著色為紅色等。此外，添加的氮不會聚集在金剛石的晶粒界面處并且金剛石中幾乎沒有雜質(zhì)。因此，也能夠有效地抑制金剛石晶體的異常生長。從而，得到了著色的納米多晶金剛石，盡管它是晶粒尺寸(晶粒的最大長度)為IOnm至500nm的多晶體。
[0069]另外，在本實(shí)施方案的納米多晶金剛石中，由于如上所述氮等不同種類的元素以原子水平分散在金剛石體中，因此金剛石中也不容易發(fā)生不同種類的元素的濃度分布。根據(jù)該事實(shí)，也能夠有效地抑制金剛石晶粒的局部異常生長。因此，與常規(guī)的例子相比，金剛石的晶粒尺寸也可以是相同的。
[0070] 金剛石中不同種類的元素的濃度可以任意設(shè)定?？梢栽O(shè)定不同種類的元素的高或低的濃度。在任意情況下，由于不同種類的元素能夠以原子水平分散在金剛石中，因此能夠有效地抑制金剛石中不同種類的元素的濃度分布的產(chǎn)生。應(yīng)該注意的是，添加的不同種類的元素的濃度總計(jì)優(yōu)選在大約IO1Vcm3至IO2Vcm3的范圍內(nèi)，以將多晶金剛石的晶粒尺寸保持在大約IOnm至50nm的范圍內(nèi)。
[0071]現(xiàn)在描述本實(shí)施方案中的添加了不同種類的元素的納米多晶金剛石的制造方法。
[0072]首先，在真空室中，將基材加熱到大約不低于1500°C不高于3000°C的溫度?？梢圆捎霉募夹g(shù)作為加熱方法。例如，可以在真空室中提供加熱器，該加熱器能夠直接或間接地將基材加熱到不低于1500°C的溫度。
[0073]任何金屬、無機(jī)陶瓷材料、或碳材料都可被用作基材，只要它是能夠經(jīng)受住大約1500°C至3000°C的溫度的材料即可。然而，從充當(dāng)原材料的石墨中不引入雜質(zhì)的觀點(diǎn)考慮，基材優(yōu)選由碳制成。更優(yōu)選地，基材可以由含有非常少雜質(zhì)的金剛石或石墨構(gòu)成。這種情況下，至少基材的表面應(yīng)該僅由金剛石或石墨構(gòu)成。
[0074]然后，將烴類氣體和含有不同種類的元素的氣體引入真空室。這里，將真空室內(nèi)的真空度設(shè)置為大約20托至100托。從而，烴類氣體和含有不同種類的元素的氣體能夠在真空室內(nèi)混合，并且能夠在加熱后的基材上形成以原子水平引入了不同種類的元素的石墨。此外，同樣在引入化合物作為不同種類的元素的來源時(shí)，也不會殘留不必要的組分。應(yīng)該注意的是，基材可以在引入氣體混合物之后被加熱，然后包含不同種類的元素的石墨可以形成在基材上。
[0075]例如，甲烷氣體可以用作烴類氣體。優(yōu)選采用不同種類的元素的氫化物或有機(jī)化合物的氣體作為含有不同種類的元素的氣體。通過采用氫化物作為不同種類的元素，不同種類的元素的氫化物能夠容易地在高溫下分解?；蛘?，通過采用有機(jī)化合物作為不同種類的元素，能夠建立其中不同種類的元素被碳圍繞，即不同種類的元素彼此孤立的狀態(tài)。從而，容易地將孤立的不同種類的元素引入石墨中。[0076]當(dāng)選擇氮作為不同種類的元素時(shí)，例如，可以采用甲胺或其類似物的氣體。在將甲烷氣體和甲胺氣體鼓入氬氣中以制備氣體混合物的情況下，能夠?qū)怏w混合物以10_7%至100%的比例引入到真空室中。
[0077]在形成石墨時(shí)，烴類氣體和含有不同種類的元素的氣體優(yōu)選朝向基材的表面供給。從而，氣體可以在基材附近有效地混合，以便能夠在基材上有效地生成包含不同種類的元素的石墨。烴類氣體和含有不同種類的元素的氣體可以從基材的正上方向基材供應(yīng)，或者可以沿傾斜方向或水平方向朝向基材供應(yīng)。也可以在真空室中提供導(dǎo)向部件，用于將烴類氣體和含有不同種類的元素的氣體導(dǎo)向基材。
[0078]將如上所述制造的石墨(石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的作為除了碳以外的元素的不同種類的元素)在高壓壓制裝置中燒結(jié)，從而能夠制造不同種類的元素以前所未有的水平均勻添加的添加了不同種類的元素的納米多晶金剛石。即，石墨燒結(jié)后，得到了具有納米尺寸的晶粒的納米多晶金剛石。例如，多晶金剛石的晶粒尺寸可以大約為 IOnm 至 500nm。
[0079]應(yīng)該注意的是，在將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的步驟中，優(yōu)選在不添加燒結(jié)助劑或催化劑的情況下在高壓下對石墨進(jìn)行熱處理。另外，在將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的步驟中，可以在超高壓裝置中對形成于基材上的石墨進(jìn)行熱處理。
[0080]通過本實(shí)施方案的方法，由于結(jié)晶的迅速產(chǎn)生，因此即使通常難以添加到金剛石中的元素也能夠以孤立狀態(tài)限制在金剛石晶體中。[0081]本實(shí)施方案中能夠用于制造納米多晶金剛石的石墨是(例如)局部包含結(jié)晶部分的結(jié)晶型石墨或者是多晶的。石墨的密度優(yōu)選為聞于0.8g/cm3。從而，可以使石墨燒結(jié)過程中的體積變化較小。從使石墨燒結(jié)過程中的體積變化較小以及提高產(chǎn)率的觀點(diǎn)考慮，實(shí)驗(yàn)上石墨的密度進(jìn)一步優(yōu)選為大約不低于1.4g/cm3且不高于2.0g/cm3。
[0082]石墨的密度在上述范圍內(nèi)的原因可以認(rèn)為如下:當(dāng)石墨的密度低于1.4g/cm3時(shí)，高溫和高壓加工過程中的體積變化太大，并且不能進(jìn)行溫度控制。另外還因?yàn)椋?dāng)石墨的密度高于2.0g/cm3時(shí)，金剛石中裂縫的發(fā)生概率可能是兩倍或更高。
[0083]現(xiàn)在描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0084]實(shí)施例1
[0085]將甲烷氣體和甲胺在真空室中以1:1混合，然后將上述氣體混合物吹到已加熱至1900°C的金剛石基材上。這里，將真空室內(nèi)的真空度設(shè)置為20托至30托。然后，含氮的石墨沉積在基底上。該石墨的堆積密度為2.0g/cm3。
[0086]將以上石墨在2300°C的合成溫度和15GPa下轉(zhuǎn)化為金剛石，從而得到添加了氮的納米多晶金剛石。該多晶金剛石的晶粒尺寸為IOnm至200nm。當(dāng)該多晶金剛石用電子束照射并在800°C的高溫下退火時(shí)，得到紅色的納米多晶金剛石。
[0087]實(shí)施例2
[0088]將甲烷氣體和三甲胺在真空室中以1:1混合，然后將上述氣體混合物吹到已加熱至1900°C的金剛石基材上。這里，將真空室內(nèi)的真空度設(shè)置為20托至30托。然后，含氮的石墨沉積在基底上。該石墨的堆積密度為2.0g/cm3。作為ICP元素分析的結(jié)果，石墨中氮的濃度為IOOppm。
[0089]將以上石墨在2300°C的合成溫度和15GPa下轉(zhuǎn)化為金剛石，從而得到添加了氮的納米多晶金剛石。該多晶金剛石的晶粒尺寸為IOnm至200nm。當(dāng)該多晶金剛石用電子束照射并在800°C的高溫下退火時(shí)，得到淺紅色的納米多晶金剛石。
[0090]實(shí)施例3
[0091]將甲烷氣體和甲胺在真空室中以1:1混合，然后將上述氣體混合物吹到已加熱至1900°C的金剛石基材上。這里，將真空室內(nèi)的真空度設(shè)置為100托。然后，含氮的石墨沉積在基底上。該石墨的堆積密度為2.0g/cm3。作為ICP元素分析的結(jié)果，石墨中氮的濃度為IOOppm0
[0092]將以上石墨在2300°C的合成溫度和15GPa下轉(zhuǎn)化為金剛石，從而得到添加了氮的納米多晶金剛石。該多晶金剛石的晶粒尺寸為IOnm至200nm。當(dāng)該多晶金剛石用電子束照射并在800°C的高溫下退火時(shí)，得到紅色的納米多晶金剛石。
[0093]實(shí)施例4
[0094]將甲烷氣體和三甲胺在真空室中以1:1混合，然后將上述氣體混合物吹到已加熱至1900°C的金剛石基材上。這里，將真空室內(nèi)的真空度設(shè)置為100托。然后，含氮的石墨沉積在基底上。該石墨的堆積密度為2.0g/cm3。作為ICP元素分析的結(jié)果，石墨中氮的濃度為 150ppm。
[0095]將以上石墨在2300°C的合成溫度和15GPa下轉(zhuǎn)化為金剛石，從而得到添加了氮的納米多晶金剛石。該多晶金剛石的晶粒尺寸為IOnm至200nm。當(dāng)該多晶金剛石用電子束照射并在800°C的高溫下退火時(shí)，得到淺紅色的納米多晶金剛石。
[0096]<比較例1>
[0097]將市售的石墨密封在氮?dú)夥罩胁⒃?300°C和15GPa的高溫和高壓條件下由石墨直接合成納米多晶金剛石。這時(shí)，多晶金剛石中氮的濃度為lOOppm。即使該多晶金剛石用電子束照射并在800°C下退火時(shí)，金剛`石仍然不呈現(xiàn)紅色，這意味著金剛石中孤立的氮非常少，大約為Ippm或更低。
[0098]在上面的例子中，可以證實(shí)的是，通過將真空室中的真空度設(shè)定為20托至100托、將烴類氣體和含氮的氣體在真空室內(nèi)混合、并將氣體混合物供給到加熱至1900°C左右的溫度的基材上，能夠在基材上制得具有固相并且堆積密度在2.0g/cm3左右的石墨，該石墨中氮以原子水平分散。此外也可以證實(shí)，通過在2300°C的合成溫度和15GPa下將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，可以制備晶粒尺寸(晶粒的最大長度)約為IOnm至200nm的納米多晶金剛石,該金剛石中氮以原子水平分散。然而，據(jù)認(rèn)為，即使條件在上述范圍以外，在專利權(quán)利要求范圍所描述的范圍內(nèi)，也能制造具有優(yōu)異特性的納米多晶金剛石。
[0099]以下將參照圖2至3描述本發(fā)明的另一類型的實(shí)施方案。
[0100]本實(shí)施方案中添加了 III族元素的納米多晶金剛石包含III族元素，添加該元素從而以原子水平分散在形成多晶金剛石體的碳中。此外，本實(shí)施方案中的納米多晶金剛石是不包含粘合劑并且具有納米尺寸的晶粒大小的多晶金剛石。
[0101]III族元素是具有電子數(shù)比碳少I個的鍵的元素，并且它是在金剛石中充當(dāng)受體的元素。例如，作為III族元素可以列舉硼、鋁、鎵、銦、鉈等。雖然可以采用選自這些元素中的一種或多種元素，但是也可以采用其他的具有相似功能的元素。在III族元素中，硼是合適的，然而也可以采用由硼和其它元素組合的混合元素。
[0102]如圖2所示，本實(shí)施方案中的納米多晶金剛石I形成于基材2上，并包含以原子水平均勻分散的III族元素3a。應(yīng)該注意的是，本文中“以原子水平分散的III族元素”是指(例如)在如下水平的分散狀態(tài):當(dāng)將碳和III族元素在氣相狀態(tài)下混合并固化從而在真空氣氛中制成固體碳時(shí)，該III族元素分散在固體碳中。
[0103]可以通過在高溫和高壓下對形成于基材上的石墨進(jìn)行熱處理來制造納米多晶金剛石I。石墨是完整的固體并且包含結(jié)晶部分。雖然在圖2的例子中納米多晶金剛石I具有平板形狀，但它可以具有任意的形狀和厚度。在通過對形成于基材上的石墨進(jìn)行熱處理來制造納米多晶金剛石I的情況下，納米多晶金剛石I和石墨基本上具有相同的形狀。
[0104]在石墨形成階段，可以將以上III族元素添加到石墨中。具體地，可通過在不低于1500°C的溫度下對包含III族元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物進(jìn)行熱分解而將石墨形成于基材上，使得同時(shí)可將III族元素添加到石墨中。
[0105]作為包含以上III族元素的氣體，例如可以采用:由III族元素的氫化物組成的第一氣體；由選自三甲基硼、三乙基硼和硼酸三甲酯中的一種或多種氣體組成的有機(jī)金屬類的第~ 氣體；由選自二甲基招、二乙基招、二甲基氧化招和二異丁基招中的一種或多種氣體組成的有機(jī)金屬類的第三氣體；由選自三甲基鎵和三乙基鎵中的一種或多種氣體組成的有機(jī)金屬類的第四氣體；由選自三甲基銦和三乙基銦中的一種或多種氣體組成的有機(jī)金屬類的第五氣體；以及由選自三甲基鉈和三乙基鉈中的一種或多種氣體組成的有機(jī)金屬類的第六氣體中的任意一種。也可以將兩種或多種以上氣體適當(dāng)?shù)鼗旌稀?br> [0106]如上所述，通過在氣相狀態(tài)下將III族元素混合到用于石墨形成的原材料氣體中從而將III族元素添加到石墨中，III族元素就能以原子水平均勻地被添加到石墨中。另外，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)包含III族元素的氣體相對于烴類氣體的添加量，就能夠?qū)⑺枇康腎II族元素添加到石墨中。
[0107]氣體混合物可以在真空室中被熱分解，并且此處通過將真空室內(nèi)的真空度設(shè)定為相對較高，能夠抑制雜質(zhì)被引 入到石墨中。然而實(shí)際上，在石墨中無意識地引入了不可避免的雜質(zhì)。作為該不可避免的雜質(zhì)，可以列舉如氮、氫、氧、硅、以及過渡金屬等除了上述刻意添加的III族元素以外的元素。
[0108]本實(shí)施方案中用于制造添加了 III族元素的納米多晶金剛石的石墨中，各不可避免的雜質(zhì)的量均大約為0.01質(zhì)量％或更低。即，石墨中不可避免的雜質(zhì)的濃度大約為不高于SMS (二次離子質(zhì)譜)分析的檢出限。而且，石墨中過渡金屬的濃度大約為不高于ICP(電感耦合等離子體)分析或SIMS分析的檢出限。
[0109]從而，在石墨中雜質(zhì)的量降低到SMS分析或ICP分析的檢出限水平并且金剛石由該石墨制成的情況下，能夠制得除了刻意添加的III族元素以外的雜質(zhì)量極小的多晶金剛石。應(yīng)該注意的是，即使采用了包含稍微高于SIMS分析或ICP分析檢出限的雜質(zhì)的石墨，也能獲得特性顯著優(yōu)于常規(guī)例子的多晶金剛石。
[0110]圖3示出了本實(shí)施方案中納米多晶金剛石中硼和雜質(zhì)分布的一個例子。應(yīng)該注意的是，圖3所示的添加了硼的納米多晶金剛石是通過在2000°C下在10_2Pa的真空環(huán)境中對含有硼(其代表上述III族元素)的石墨進(jìn)行熱處理而得到的。此外，在SMS分析中測定了硼的濃度或雜質(zhì)的濃度。
[0111]如圖3所示，可以看出，金剛石中硼的濃度和各雜質(zhì)的濃度在深度方向上的變化較小。另外，可以看出，本實(shí)施方案的納米多晶金剛石中雜質(zhì)的量處于極低值。[0112]將充當(dāng)硼源的B4C與由傳統(tǒng)技術(shù)制造的石墨混合，將混合物在2000°C下在10_2Pa的真空環(huán)境中進(jìn)行熱處理，并形成含有硼的石墨固溶體，從而獲得添加了硼的納米多晶金剛石，下表1示出了上述添加了硼的納米多晶金剛石和本實(shí)施方案的添加了硼的納米多晶金剛石之間B4C引入比例的比較結(jié)果。
[0113]表1
【權(quán)利要求】
1.一種多晶金剛石,包含: 碳; 不同種類的元素，該元素是除了所述碳以外的元素，并且該元素是以原子水平分散在所述碳中的方式添加的；以及不可避免的雜質(zhì)， 所述多晶金剛石的晶粒尺寸不大于500nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶金剛石，其中 所述不同種類的元素作為替代的孤立原子分散在所述碳中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶金剛石，其中 所述不同種類的元素的濃度不低于IXlO1Vcm3且不高于lX 1022/cm3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石，其中 所述多晶金剛石是通過燒結(jié)石墨而制造的，該石墨是通過在不低于1500°C的溫度下對包含所述不同種類的元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物進(jìn)行熱分解而獲得的。
5.一種制造多晶金剛石的方法，包括以下步驟: 制備石墨，其中，該石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的作為除了碳以外的元素的不同種類的元素；以及 通過在高壓壓制裝置內(nèi)對所述石墨進(jìn)行熱處理以將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造多晶金剛石的方法，其中 在將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的所述步驟中，在不添加燒結(jié)助劑或催化劑的情況下在所述高壓壓制裝置內(nèi)對所述石墨進(jìn)行熱處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制造多晶金剛石的方法，其中 所述制備石墨的步驟包括通過下述方式在基材上形成石墨的步驟，所述方式為:將包含所述不同種類的元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物引入真空室內(nèi)并在不低于1500°C的溫度下對所述氣體混合物進(jìn)行熱分解。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造多晶金剛石的方法，其中 在將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的所述步驟中，在所述高壓壓制裝置內(nèi)對形成于所述基材上的所述石墨進(jìn)行熱處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造多晶金剛石的方法，其中 所述氣體混合物朝向所述基材的表面供給。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9中任意一項(xiàng)所述的制造多晶金剛石的方法，其中 所述烴類氣體為甲烷氣體。
11.一種多晶金剛石，包含: 碳; 以原子水平分散在所述碳中的方式添加的III族元素；以及 不可避免的雜質(zhì)， 所述多晶金剛石的晶粒尺寸不大于500nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的多晶金剛石，其中 所述III族元素作為替代的孤立原子分散在所述碳中。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的多晶金剛石，其中所述III族元素的濃度不低于IXlO1Vcm3且不高于lX 1022/cm3。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石，其中 所述多晶金剛石是通過燒結(jié)石墨而制造的，該石墨是通過在不低于1500°C的溫度下對包含所述III族元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物進(jìn)行熱分解而獲得的。
15.一種制造多晶金剛石的方法，包括以下步驟: 制備石墨，其中，該石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的III族元素；以及 通過在高壓壓制裝置內(nèi)對所述石墨進(jìn)行熱處理以將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造多晶金剛石的方法，其中 在將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的所述步驟中，在不添加燒結(jié)助劑或催化劑的情況下在所述高壓壓制裝置內(nèi)對所述石墨進(jìn)行熱處理。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的制造多晶金剛石的方法，其中 所述制備石墨的步驟包括通過下述方式在基材上形成石墨的步驟，所述方式為:將包含所述III族元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物引入真空室內(nèi)并在不低于1500°C的溫度下對所述氣體混合物進(jìn)行熱分解。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造多晶金剛石的方法，其中 在將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的所述步驟中，在不低于SGPa的高壓和1500°C或更高的溫度下對形成于所述基材上的所述石墨進(jìn)行熱處理。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造多晶金剛石的方法，其中 所述氣體混合物朝向所述基材的表面供給。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19中任意一項(xiàng)所述的制造多晶金剛石的方法，其中 所述烴類氣體為甲烷氣體。
21.一種劃線工具，包含根據(jù)權(quán)利要求11至14中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石。
22.一種劃線輪，包含根據(jù)權(quán)利要求11至14中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石。
23.一種修整器，包含根據(jù)權(quán)利要求11至14中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石。
24.一種旋轉(zhuǎn)工具，包含根據(jù)權(quán)利要求11至14中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石。
25.—種水射流噴嘴，包含根據(jù)權(quán)利要求11至14中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石。
26.—種拉絲模具，包含根據(jù)權(quán)利要求11至14中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石。
27.一種切削工具，包含根據(jù)權(quán)利要求11至14中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石。
28.—種多晶金剛石,包含: 碳; 以原子水平分散在所述碳中的方式添加的V族元素；以及 不可避免的雜質(zhì)， 所述多晶金剛石的晶粒尺寸不大于500nm。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的多晶金剛石，其中 所述V族元素作為替代的孤立原子分散在所述碳中。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的多晶金剛石，其中 所述V族元素的濃度不低于I X IO1Vcm3且不高于I X 1022/cm3。
31.根據(jù)權(quán)利要求28至30中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石，其中 所述多晶金剛石是通過燒結(jié)石墨而制造的，該石墨是通過在不低于1500°C的溫度下對包含所述V族元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物進(jìn)行熱分解而獲得的。
32.—種制造多晶金剛石的方法，包括以下步驟: 制備石墨，其中，該石墨中具有以原子水平分散在碳中的方式添加的V族元素，并且該石墨的晶粒尺寸不大于IOiim;以及 通過在高溫和高壓壓制裝置內(nèi)對所述石墨進(jìn)行熱處理以將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的制造多晶金剛石的方法，其中 在將所述石墨轉(zhuǎn)化為 金剛石的所述步驟中，在不添加燒結(jié)助劑或催化劑的情況下在所述高溫和高壓壓制裝置內(nèi)對所述石墨進(jìn)行熱處理。
34.根據(jù)權(quán)利要求32或33所述的制造多晶金剛石的方法，其中 所述制備石墨的步驟包括通過下述方式在基材上形成石墨的步驟，所述方式為:將包含所述V族元素的氣體和烴類氣體的氣體混合物引入真空室內(nèi)并在不低于1500°C的溫度下對所述氣體混合物進(jìn)行熱分解。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的制造多晶金剛石的方法，其中 在將所述石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的所述步驟中，在所述高溫和高壓壓制裝置內(nèi)對形成于所述基材上的所述石墨進(jìn)行熱處理。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的制造多晶金剛石的方法，其中 所述氣體混合物朝向所述基材的表面供給。
37.根據(jù)權(quán)利要求32至36中任意一項(xiàng)所述的制造多晶金剛石的方法，其中 所述烴類氣體為甲烷氣體。
38.一種電子發(fā)射源，其由根據(jù)權(quán)利要求28至31中任意一項(xiàng)所述的多晶金剛石制成。
【文檔編號】C01B31/06GK103717530SQ201280037943
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月28日
【發(fā)明者】池田和寬, 有元桂子, 山本佳津子, 角谷均, 佐藤武 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社