Рост в метастабильных условиях

В последние годы пристальное внимание привлекли предложения по получению алмазов в условиях, при которых стабилен графит, а алмаз метастабилен (метастабильность алмаза означает, что он может в данных условиях оставаться неизменным неограниченное время без обратного перехода в графит). Для превращения графита в алмаз необходимо, чтобы атомы
 углерода были возбуждены до состояния, характеризующегося высокой энергией. Обычно это достигается приложением высоких давлений и температур. Альтернативная идея основана на том, что если удастся получить атомы углерода с высоким энергетическим уровнем, то при переходе в твердое состояние вероятнее образование метастабильиого алмаза, чем стабильного графита. Этому способствует применение затравочных кристаллов алмаза, которые помогают атомам углерода располагаться в порядке, соответствующем алмазной, а не графитовой структуре.
Вероятно, наиболее перспективный метод связан с разложением углеродсодержащих газов при достаточно низких давлениях. Обволакивая мелкие кристаллы алмаза, газ разлагается, и атомы углерода осаждаются иа поверхность затравочных кристаллов. В начале 60-х годов этот метод независимо друг от друга разработали В. Эверсол из фирмы «Линде» в США и Б. Дерягии и Б. Спицыи из Института физической химии в Москве . Вначале Дерягин и его коллеги использовали тетраиодит углерода (С14), а Эверсол пользовался метаном (СН4), который до сих пор остается наиболее широко применяемым в этом методе газом.
Потребовалось достаточно много времени, прежде чем научная общественность поверила в возможность получения алмаза этим методом, однако сейчас обоснованность этого процесса более чем достаточна.
Для опытов Эверсола характерны следующие условия: температура в интервале 600—1600°С, общее давление газа — одна атмосфера, концентрация метана в газовой смеси от 0,015 до 7%. Затравки имели размер всего лишь 0,1 мкм (десятитысячная доля миллиметра) в диаметре, что обеспечивало большую поверхность для осаждения алмазов. К сожалению, помимо алмаза в газовой фазе образовывались также скопления графита, которые осаждались вместе с алмазом на поверхности затравочных кристаллов. Если время от времени не останавливать процесс для удаления графита, его концентрация настолько возрастает, что препятствует осаждению алмаза. Для этого в методе Эверсола предусматривалось периодическое извлечение алмазов, которые затем помещались в сосуд высокого давления (от 50 до 200 атм) с водородом и прокаливались при температуре 1000°С Водород вступает в реакцию с графитом намного быстрее, чем с алмазом, поэтому такая процедура очищает поверхность затравочных кристаллов для последующего роста.
Группа Дерягииа пришла к выводу, что новообразования графита выгоднее окислять кислородом воздуха при атмосферном давлении. Преимущество этого способа в том, что процесс синтеза и удаление графита осуществляются в одном и том же реакторе, который в окислительную стадию процесса заполняется воздухом. Типичные условия, используемые в настоящее время для выращивания алмаза, характеризуются температурой 1020°С и давлением метана 0,07 мм рт-ст. Наибольшие скорости роста составляют примерно 0,1 мкм в час, что обеспечивает образование во всем объеме реактора около одного карата алмаза в час. Вибрация затравок способствует увеличению поверхности соприкосновения кристаллов с метаном и ведет к улучшению свойств наращиваемого слоя. Еще большие скорости достигаются при облучении поверхности алмазов светом газоиаполиеииой ксеиоио-вой лампы высокого напряжения. Лампа работает в пульсирующем режиме, способствуя быстрому росту алмаза и в значительной степени предотвращая зарождения кристаллитов графита. Сообщалось, что в таких условиях скорости роста достигают нескольких микрометров в час. Иногда при использовании этого метода начинают расти алмазные «усы»—тонкие нити, выступающие из разных мест поверхности затравочного кристалла. Причины такой странной формы роста пока ие ясны.