合成ダイヤモンド

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高圧高温法により合成し、様々な色を呈したダイヤモンド。

合成ダイヤモンドまたは人工ダイヤモンド(ごうせいダイヤモンド、じんこうダイヤモンド、: Synthetic diamond)は、地球内部で生成される天然ダイヤモンドに対して、科学技術により人工的に作製したダイヤモンドである。主に高温高圧合成(HPHT)や化学気相蒸着(CVD)法により合成される。

1879年から1928年にかけて、人工ダイヤモンドの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法を用いたダイヤモンド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つの方法で主にダイヤモンドは合成されている。また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1990年代後半に開発された。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、商業的に未だ利用されていない。

合成ダイヤモンドの特性は合成方法により異なり、硬さ電気伝導性電子移動度が天然ダイヤモンドよりも優れる特性を有する。このため合成ダイヤモンドは研磨材切削工具ヒートシンク(放熱板)などに広く使われる。また発電所の高電圧開閉器、高周波電界効果トランジスタ発光ダイオードとしての利用が進められている。

HPHT法やCVD法で合成されたダイヤモンドは宝石としても利用される。天然ダイヤモンドの取引会社にとっては、重大な関心事であり、天然物と区別する為に、分光装置を開発する等様々な対策が施されている。

歴史[編集]

合成の試み[編集]

電気アーク炉を用いてダイヤモンドの合成を試みるモアッサン。

1797年にダイヤモンドが炭素のみで構成されている事が発見されると、科学者らは安価な炭素材料を用いてダイヤモンドの合成を試みた。1879年ジェームス・バランタイン・ハネイ英語版が初めて合成に成功し[1]1893年アンリ・モアッサンも続いて合成している。彼らの方法は、炭素を含む製のるつぼ木炭を3500°Cまで加熱し合成させる方法であった。ハネイは炎熱管を用いたが、モアッサンは新しく改良したアーク炉を使用した[2]。溶融した鉄はに浸すと急激に冷やされ、恐らくその鉄が凝固した際に発生した体積の収縮が、黒鉛がダイヤモンドに変化するのに十分な高い圧力を発生させたのではないかと考えられた。モアッサンは1890年代に研究論文を発表している[3]。但し、当時の実験を再現しても温度や圧力が足らず、モアッサンが行った実験と同等の結果は得られないとされており、同じ作業を延々と繰り返され根が尽きた助手が実験を切り上げるようにダイアモンドの粒を混ぜたのではないか、という説が存在する。[4]

多くの科学者がモアッサンの実験を再現しようと試みた。ウィリアム・クルックス卿が1909年に成功し[5]、またオットー・ルフが1917年に直径7mmまでに成長したダイヤモンドを合成したと報告したが[6]、後にそれを撤回している[7]マクファーソン大学英語版のウィラード・ハーシー博士はモアッサンとルフの実験を再現しダイヤモンドを合成させた[8][9]。その試料はアメリカ・カンザス州マクファーソン博物館英語版に展示している[10]。しかし他の実験者は、3人の実験方法を試しても合成することが出来なかった[11][12]

蒸気タービンを発明したことで知られる技術者チャールズ・アルジャーノン・パーソンズ卿が最も信頼できる合成方法を確立させた。彼は40年の歳月と財産の大部分を費やし、ハネイとモアッサンの実験を行ったが、結果的には彼独自の合成方法を編み出した[13]。彼は労を惜しまず研究を続け、几帳面に実験結果を記録していた。現在彼が作成した全ての試料はさらなる分析を行う為に保存されている[14]。また彼は高温高圧合成法を用いて小さなダイヤモンドの合成に成功し、それに関する多数の論文を書き上げた[15]。しかし、モアッサンやパーソンが行った全ての実験ではダイヤモンドは合成できないと明言した論文が、1928年にC.H.デッシュ博士により発表された[16]。デッシュは、当時合成されたとされるダイヤモンドの多くは合成スピネルと類似した物質であろう、と推測した[11]

GEダイヤモンド計画[編集]

1980年代に生産された神戸製鋼製のベルトプレス型高圧装置。

1941年にダイヤモンド合成のさらなる改良を目指して、ゼネラル・エレクトリック(GE)社、ノートン社、カーボランダム社の3社合同で研究を始めた。彼らは数秒間の3.5GPaの圧力下で3000°Cまで炭素を加熱させるのに成功したが、その後の第二次世界大戦により計画を中断せざるを得なくなった。1951年ニューヨーク州のスケネクタディ研究所で再開し、トレイシー・ホール英語版率いる高圧合成ダイヤモンド研究チームが結成された[17]。この研究所のダイヤモンドアンビルセルが、1946年ノーベル物理学賞を受賞したパーシー・ブリッジマンによって設計・改善された。GEは炭化タングステン製アンビルを用いて、、カトリナイト英語版の容器に入れた試料に圧力をかける方法を使用した。偶然にもその方法でダイヤモンドが合成されたが、再現性は得られなかった[18]。後にそのダイヤモンドは結晶核として用いられた天然ダイヤモンドと判明した[19]

ホールはベルトプレス型アンビルを用いて、1954年12月16日に最初の商業的な合成ダイヤモンドを完成し、1955年2月15日に公表された。このベルトプレス型アンビル内では温度2000°C以上、圧力10GPa以上の状態を作り出すことができ[20]、溶融したニッケルコバルト・鉄で溶解したグラファイトを葉ろう石の容器に入れ使用する。融解した金属は"触媒"のような役割を果たし、グラファイトを溶かすだけでなく、ダイヤモンドへ変化させる速度を上げている。彼が合成した最大のダイヤモンドは直径0.15mmで、それはあまりにもサイズが小さく宝石としては不完全なものであったが、工業用研磨材として利用できる。ホールの同僚たちもダイヤモンドを合成することに成功し、研究結果を科学専門誌ネイチャーに掲載した[21][22]。ホールは再現・証明可能なダイヤモンド合成を行い、また十分な裏付けのある合成過程を創出した人物となった[19][23]。彼は1955年にGEを退社、3年後新しくダイヤモンド合成用のアンビルを開発し、これまでの研究成果を讃えられアメリカ化学会賞を受賞している[24]

その後の研究開発[編集]

単結晶合成ダイヤモンドで作製された外科用メス

前述のGE社の他に、1953年2月16日にスウェーデンの大手電気機器メーカーASEAスウェーデン語版社も独自に合成ダイヤモンドを完成した。1949年に" QUINTUS "というコードネームで呼ばれた極秘ダイヤモンド合成プロジェクトとして、5人の科学者と技術者を雇い研究に着手した。彼らは大きな分割球装置を使用し、装置内の圧力を1時間で8.4GPa維持することに成功した[17][25]。しかし宝石としてはサイズも質も劣る非常に小さなダイヤモンドしか生成できず、1980年代まで研究結果の報告を行わなかった[26]。その後ASEA社にとって新たな競争相手が現れた。それは韓国のイルジン・ダイヤモンドという会社で、数百社の中国企業を従わせる大企業であった。しかし、この会社は元GEの韓国人社員によるGE社の企業秘密を不正流用した開発技術により、ダイヤモンドを合成したと言われている[27][28]

1970年にGE社は、宝石と同等の質をもつ合成ダイヤモンドを最初に開発し、1971年にこの研究結果を発表した。方法としては、葉ろう石の筒型容器の両端にダイヤモンド粒子を種付けし、黒鉛を容器の中心に、またニッケルを用いた金属溶媒を黒鉛とダイヤの種晶を植え付けた容器の端との間に設置した。この容器を加熱し、さらに5.5GPaまで加圧した。結晶は容器の中心から両端に向けて析出し、時間の経過とともに結晶もより長く成長した。当初は一週間かけて実験を行っても、宝石として価値のあるのは大きさ約5mm、質量1カラット(0.2g)のダイヤモンドしか生成せず、合成条件は可能な限り安定にしなければならなかった。そのため、目的の結晶の形に遥かに制御しやすくするよう、原料である黒鉛はダイヤモンド粒子に変更された[22]

最初の宝飾用合成ダイヤモンドには、不純物として窒素が含まれる為、常に黄色褐色を呈していた。窒素を除去し、アルミニウムチタンを加えると無色透明になり、ホウ素では青色を示した[29]

GE社が作製したダイヤモンドと天然ダイヤモンドは化学的に同一であるが、物理的性質は異なっていた。無色のダイヤに短波長の紫外線を照射すると、蛍光燐光を発生するが、比較的長波長の紫外線ではこれらの現象は起こりにくい。希少で天然の青色ダイヤもこのような特性を示す。天然ダイヤと違い、GE社が合成したダイヤモンドにX線を向けると、濃黄色の蛍光を発した[30]デビアス社ダイヤモンド研究所で、高温高圧法で6週間合成し続けて高品質の25カラット(5.0 g)ダイヤモンド合成に成功した。しかし、経済的な理由も考慮して、1.0 - 1.5カラット(200 - 300 mg)の大きさが最良であると結論づけた[31]

1950年代、旧ソ連とイギリスは800°Cの比較的低い温度で炭化水素ガスの熱分解によるダイヤモンド合成の研究を開始した。この低温度による合成方法は化学気相蒸着(CVD)法という。1953年のウィリアム・G・エバーソールによれば、ダイヤモンド基板上にダイヤの蒸着した膜が生成すると報告しているが、1962年まで研究結果が発表されなかった[32]。しかし、1968年にアンガスとその同僚らが[33]1970年にもデリャーギンとフェドセーエフが独自にダイヤモンド膜の合成に成功した[34]。エバーソールとアンガスは高価で単結晶の大きなダイヤモンドを基板として使用したが、デリャーギンらはケイ素金属の基板上で生成している。1980年代はデリャーギンらの研究成果により、いかに安価なダイヤモンド膜を堆積させるか、研究開発が急速に進められた[35]

合成方法[編集]

ダイヤモンドの合成方法として、幾つかの方法が挙げられる。初期の方法では高温高圧法High Pressure and High Temperature, HPHT)が用いられ、低予算で合成できる為、現在でも広く使用されている。HPHT法は1500°Cで5GPaの高圧力を発生させるのに数百トンの力を必要とする。その次は化学気相蒸着法Chemical Vapor Deposition, CVD)による合成で、基板上にダイヤモンドを形成するため、炭素をプラズマ状態に変化させ炭素原子を堆積させる方法である。また爆轟(デトネーション)による生成、超音波処理による方法も存在する。[36][37][38]

高温高圧合成法[編集]

ベルトプレス型の概略図。両側からベルト(図ではDies)で固定されたセルが上下のアンビルにより垂直に圧力が加えられる。

ダイヤモンド合成に必要な圧力と温度を供給するために、主に3種類の高圧装置が用いられている。それはベルト型、キューブ型、そして分割球型である。

ベルト型は元来、GE社のトレーシー・ホールによって開発した装置である。装置内に試料の入った筒状セルが設置され、上下アンビルから油圧で圧力が加えられる。「ベルト」といわれる線材によりセルに巻き、予め圧力を加える。2つのアンビルは電極の役割を果たし、セルの内蔵ヒーターに電流を流し、高温高圧の状態を生み出すことができる[39]。今日においても、ベルト型が使用され、初期の装置よりも巨大な圧力装置が製造されている[40]

キュービック型圧力装置は、6つのアンビルを用い立方体型のセルの6面全てに圧力をかけるマルチアンビル装置である[41]。最初のマルチアンビルは正四面体構造の圧力装置で、圧力が四面体のセルに集中するように、4つのアンビルを使用していた[42]。その後すぐに、その装置を利用してセル内容積を増加させるためキュービック型圧力装置が作られた。装置の大きさはベルト型よりもキュービック型が小さいが、ダイヤモンドを合成するのに適した圧力と温度に達する時間が速いのがキュービック型である。しかしながら、キュービック型装置は一般的には簡単に大きな容積を確保できない。よりアンビルが大きくなれば、加圧できる空間も広くなるが、同じ圧力を掛ける為には、プレスする力も強くしなければならない。そのためには、正十二面体のような面の多い正多面体上に配置したより多くのアンビルにより、圧力をかけられる空間の体積に対する表面積の比を小さくすればよい。しかし、このような装置はあまりにも複雑で、開発することは非常に困難である[41]

分割球装置の概略図。中心にある合成カプセルが4つの炭化タングステン製の内部アンビルに囲まれ、またこのアンビルのも4つの鋼鉄製の外部アンビルで加圧される。チャンバー内に油が注がれ、外部アンビルに油が入り込まないようゴム製の隔壁が設置される。

そして分割球装置(BARS装置)がベルト型とキュービック型装置より最もコンパクトで、効率よく、さらに経済的にもダイヤモンドを合成できる。この装置の中心には、容積約2cm³セラミックス製の小さな円筒容器が配置されている。この合成容器を葉ろう石等の立方体の圧力伝達物質の中に入れ、さらに炭化タングステン等の超硬合金製の内部アンビルで、そしてそれを最も外側にある8つの鋼鉄製外部アンビルにより加圧する[43]。直径1mのチャンバー内に固定され、この中に油が満たされ、反応容器に熱と圧力を同時に加えていく。同軸黒鉛加熱装置により合成容器を熱し、温度を熱電対により計測する[44]

化学気相蒸着法[編集]

化学気相蒸着法により合成したダイヤモンドのSEM画像。

炭化水素の混合気体による化学気相蒸着(CVD:chemical vapor deposition)を用いるもの。1980年代初頭、この方法は世界中の科学機関により研究対象にされ、容易で順応性の高いCVD装置は研究機関の間では人気がある。利点としては、様々な種類の基板上で広範囲にダイヤを成長させることができる点と、化学的な不純物の種類と量を細かく制御でき、それにより特性を自由に変化させたダイヤモンドの合成が可能な点である。大量生産には、前節の高温高圧法がより適しているが、高圧力環境を必要とせず、一般的に27kPa未満でダイヤモンドの成長が行われる[36][45]

CVD法では、合成基板の前処理と、チャンバー内の混合気体の種類とその比率が重要である。まず基板は、合成に適した材料とその結晶方位を選択しなければならない。基板の合成面をダイヤモンド粉末で傷付け処理を施し、ダイヤモンド成長に最適な基板表面温度(約800°C)を設定する。次に、合成ガスはメタンなどの炭素を含む気体と水素(メタンと水素の割合は1対99)を必要とする。非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去するため、水素は不可欠である。そして混合ガスはマイクロ波、熱フィラメント、アーク放電、電子ビームなどの方法で化学的に活性なラジカルへ励起させる。

注意点としては、プラズマ状態の気体によりチャンバー内の物質がエッチングされ、成長中のダイヤモンド内に取り込まれる点で、特に気相合成ダイヤモンドには、装置に取り付けている透明の石英窓由来のケイ素が不純物として混入することがある[46]。防止するには石英窓のない装置で合成するか、窓から基板を遠ざければよい。また、チャンバー内に非常に低濃度であってもホウ素を含む物質が存在すると、純粋なダイヤモンド合成には適さない[36][45][47]

デトネーションによる爆発合成[編集]

透過型電子顕微鏡(TEM)で撮影したデトネーションダイヤモンド。

金属製のチャンバー内で炭素を含む爆発物による合成により直径5nmのダイヤモンド結晶が生成できる。この様に合成したダイヤモンドは「デトネーション・ナノダイヤモンド」と呼ばれる。爆発の間、爆薬の炭素からダイヤモンドへと変換可能な高い圧力と温度が発生する。水中に沈めると、爆発合成後のチャンバーは急冷され、グラファイトからダイヤモンドへの生成が抑えられる[48]。この他に、黒鉛粉末を満たした金属管をチャンバー内にセットし、爆発により高い圧力と温度によりダイヤモンドを生成する方法もある[49]。生成した物質にはグラファイトや非ダイヤモンド炭素が多く付着している為、約250°Cの熱硝酸で1日間それらを溶解させる[37]。このナノダイヤモンド粉末は研磨材として利用される。主に中国、ロシア、ベラルーシで生産され、2000年代初めまでに大規模に市場で取引され始めた[50]

超音波キャビテーション法[編集]

マイクロメートル(µm)サイズのダイヤモンドは、超音波によるキャビテーションを行うことで、標準状態下の有機溶媒中で分散したグラファイトから合成する事が可能である。ダイヤモンドの生産収率は、初めのグラファイトの質量の約10%しかない。またこの方法では、高温高圧法によりも非常に結晶性の悪いダイヤモンドが生成する。比較的簡素な設備と合成手順で生成可能であるが、2か所の研究機関からの報告のみで、2009年現在でも産業用の利用はない。グラファイト粉末の前処理、超音波の強さ、合成時間、溶媒などの多くのパラメータは未だ最適化されていない。そして生産効率の向上と生産コストの課題も残されたままである[38][51]

特性[編集]

一般的に、ダイヤモンドの性質は結晶構造の欠陥により決定づけられる。純粋または高い結晶完全性をもつダイヤモンドは濁りが無く透明であるが、硬度や光の分散、化学的安定性は一般に取引されているダイヤモンドと変わりない。高い熱伝導率を有するダイヤモンドは産業的にも重要である。全てのダイヤモンドは光の分散能力が高いが、合成方法の違いによりその他の特性も異なる[52]

結晶性[編集]

ダイヤモンドは一つの単結晶か、またより小さい結晶の集合体である多結晶で構成される。無色透明の単結晶ダイヤモンドは宝石として利用される。一方、多結晶ダイヤモンドは多数の小粒子で成り、裸眼でも光の強い吸収散乱を確認できる。このダイヤは宝石には向かず、採掘道具と切削用具に利用されている。またこのダイヤは構成している結晶の粒子平均サイズで表せる。粒子の大きさは数nmから数百μmの範囲に広がり、それぞれナノ結晶ダイヤモンド、マイクロ結晶ダイヤモンドといわれる[53]

硬度[編集]

ダイヤモンドは最も硬い物質であることは知られている[54]。ここでの「硬度」は、ある物質で引っ掻いた時の傷付きにくさを最も軟らかい数値の「1」から「10」までの鉱物を定義したモース硬度のことであり、ダイヤモンドのモース硬度は最も硬い「10」である[55]。合成ダイヤモンドの硬度は、純度、結晶完全性、結晶方位に依存する。欠陥がなく結晶がより完全に近い程、また立方体型のダイヤモンド格子の対角線に沿った[111]方向の結晶面が硬い[56]。CVD法により合成したナノ結晶ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンドの30% - 75%の硬度を持ち、特殊な方法で硬度を調節することも可能である。高温高圧法により生成したナノダイヤモンド(ハイパーダイヤモンド)は、全ての天然ダイヤモンドよりも硬いことが知られている[54][57][58]

不純物の存在[編集]

全てのダイヤモンドには、少なからず炭素以外の原子を含んでいる。ダイヤモンドに含まれる不純物は除去されるべきであるが、これがダイヤモンドの何らかの特性を決定づけている。例えば、純粋なダイヤモンドは電気絶縁体であるが、ホウ素をドープすると電気伝導性を示し、電子工学分野での応用が期待できる[59]。窒素が含まれると、格子転位結晶構造内に起こる欠陥)の移動を妨げ、格子に圧縮応力が加わるため、硬度と靱性が増す[60]

熱伝導性[編集]

大抵の電気絶縁体と異なり、純粋なダイヤモンドは結晶内の強い共有結合により熱伝導の優れた物質である。純粋なダイヤモンドの熱伝導性はあらゆる固体物質の中で最も大きい。また99.9%の質量数12の炭素(12C)で構成される単結晶の合成ダイヤモンドは全物質中で最大の熱伝導率を有し、室温での値は30 W/cm・Kで、の7.5倍である。しかし天然ダイヤモンドの熱伝導率は合成ダイヤモンドのそれより1.1%減少する。それは、天然ダイヤには13Cが含まれ、格子内の異質物としてふるまうからである[61]

ダイヤモンドの高い熱伝導性を用いて、宝石商と宝石学者らはダイヤモンドの模倣品と区別する為に、熱電極プローブを使用している。先端に高純度の銅を取り付けたプローブは、1組2本の電池可動サーミスタで成り立つ。一方のサーミスタは熱を発生させ、他方は温度を測定している。ダイヤモンドを例に挙げると、それはプローブ先端からの熱エネルギーを瞬時に伝え、もう一つのプローブでダイヤモンド内の温度変化を計測する。この試験に要する時間はわずか2、3秒である[62]

利用[編集]

工作機械・切削道具[編集]

アングルグラインダー英語版の刃に埋め込まれたダイヤモンド。

殆どの合成ダイヤモンドの産業利用は長らく、ダイヤモンドの持つ「硬さ」に関係している。ダイヤモンドは工作機械や切削道具の理想的な材料として利用されている。全ての物質で最も硬いことから、あらゆる物(ダイヤモンド自身も)を研磨、切断、摩減させる。例えば、ドリルの刃、のこぎり、研磨用のダイヤモンド粉末に使用され、合成ダイヤモンドの最も一般的な利用方法となっている[63]。しかしこれらの道具で高速で鉄合金を加工するのには適さない。なぜなら、摩擦により生じる熱で炭素が鉄に溶解しやすくなる為、ダイヤモンドで作られた道具は他のよりも非常に摩耗し易いからである[64]

切削道具においては、切断部分の表面上に焼結した金属(コバルト等)にダイヤモンドの微粒子を分散しているものが多い。このダイヤは産業界で主に多結晶ダイヤモンド(Polycrystalline diamond, PCD)と言われている。PCDは切削工具以外にも採掘用機械にも使用される。以前は金属にCVDダイヤモンドをコーティングした工具が作製されたが、現在はPCD工具に取って代わるほど期待されていない[65]

放熱器[編集]

金属のような高い熱伝導率を有する物質はたいてい電気伝導性を持つ。純粋な合成ダイヤモンドも熱伝導率が大きいが、電気はわずかしか通さない。このダイヤモンドの性質は電子産業にとって非常に貴重で、高出力のレーザーダイオードやトランジスタ用のヒートシンクに利用されている[66][67]。効率的な熱の拡散は素子の寿命を伸ばすので、多少高価ではあるが効率的なダイヤモンド放熱器を使用することは、寿命が尽きた素子の入れ換えに要する高価なコストに見合う。半導体技術にも、合成ダイヤモンド製の放熱板が利用され、オーバーヒートによるシリコンと半導体物質に受ける損傷を防いでいる[68]

光学的利用[編集]

ダイヤモンドは硬く、化学不活性でまた熱伝導率が高く、熱膨張率は小さい。このような特性を持つダイヤモンドは赤外線とマイクロ波放射に用いられる透過窓に非常に適している。合成ダイヤモンドは高出力CO2レーザー[69]ジャイロトロン英語版の放射窓に使われるセレン化亜鉛に代替するものとして注目されている。これらダイヤモンド窓は直径の大きな(ジャイロトロン用は約10cmの)円盤状で、光の吸収を減少させる為に厚さを薄くしている。これはCVD法のみでしか作製できない[70][71]

高温高圧法と化学気相蒸着法の進歩により、単結晶ダイヤモンドの純度と結晶構造の完全性の向上がみられ、この合成ダイヤモンドは回折格子シンクロトロンのような高出力の光源の透過窓に用いられるケイ素に代わるものとして十分である[72][73]。また電気・磁気特性の測定用機械として透明なダイヤモンドアンビルを製造するために、CVD法と高温高圧法両方とも使用されている[74]

エレクトロニクス[編集]

合成ダイヤモンドにホウ素とリン等をドープできる為、半導体として使用できる可能性がある[75]。これら元素は炭素と比較して、価電子が1つ多いないし1つ少なく、ダイヤモンドをp-型またはn-型半導体に変化させる。連続的にホウ素とリンをダイヤモンド内にドープしpn接合を作製させると、波長235 nmの紫外線を発生するLEDを作り上げたと報告されている[76]。ドープした合成ダイヤモンドの他の特性としては、電子移動度が高いことが挙げられる。CVD法で合成した単結晶ダイヤモンドの電子移動度は4500cm²/(V・s)に達し、高周波用の電界効果トランジスタとしての応用が期待できる[77]。ダイヤモンドのバンドギャップが5.5eVと大きい為、優れた誘電体を与える。ダイヤモンドの高い機械的強度と組み合わせて、これらの性質が発電所の高電圧用開閉器の試作品に使われている[78]

合成ダイヤモンドのトランジスタは研究所内で作られてきた。これらはシリコン製よりも遥かに高い温度で作動でき、光や熱また化学的変化の耐性を持つ。ダイヤモンドのトランジスタはまだエレクトロニクス産業においては見るべき成功を収めていないが、非常に高電圧で非酸化の状態を嫌う環境での使用に期待されている[79][80]

合成ダイヤモンドは既に放射線検出器として使用されている。これは放射線に対して強化され、バンドギャップも高い。また安定した酸化物が不足しているダイヤモンドは、他の大部分の半導体と区別できる。これらの特性を利用して、SLAC国立加速器研究所BaBer英語版検出器[81]やBOLD(Blind to the Optical Light Detectors)と呼ばれる太陽光ブラインド紫外線検出器に用いられている[82][83]

導電性CVDダイヤモンドは、様々な分野で活躍している[84]。光化学では、CVDで合成した多結晶ダイヤモンドの表面にDNAを共有結合により結合させる開発がなされている。検出対象となる生体分子とDNAとの相互作用によりダイヤモンドの電気伝導性が変化することにより、様々な生体物質を検出することが可能になる[85]。またダイヤモンドは通常発見できない酸化還元反応を検出し、時に水中の有機汚染物を酸化還元により分解できる。また丈夫で、化学的にも安定なため電極として、合成ダイヤモンドは有機物を含む排水処理[86]や強力な酸化物の生産に使用されている[87]

宝石[編集]

CVD法により合成し、宝石カットを施した無色透明のダイヤモンド。

宝石として使用されるダイヤモンドは高温高圧法[31]やCVD法[88]による合成でも作製される。これらは窒素の不純物により黄色に、ホウ素により青色に呈したのが多く、限りなく無色透明に近いダイヤモンドも合成されている[29]。合成後に照射することによりピンクや緑色等のダイヤモンドにすることも可能である[89]。幾つかの企業は頭髪や遺灰からダイヤモンドの合成を試みている[90]

合成された宝石と同等の価値をもつダイヤモンドは化学的、物理的、光学的にも天然ダイヤモンドと同一またはそれ以上の性質を有する。合成ダイヤモンド宝石の台頭により、天然ダイヤモンドの取引企業は市場を守る為に、様々な対策を講じている。赤外線や紫外線、X線によるスペクトル分析で天然ダイヤモンドがどうか識別できる。デビアスが開発した分析装置では、蛍光紫外線を用いて合成ダイヤモンドに含まれる窒素、ニッケルや他の金属の不純物を検出できる[91]

天然ダイヤモンドを取扱う業界にとって、合成ダイヤモンドの宝石市場への進出は脅威になりつつある。天然ダイヤの流通企業らは、彼らが取得した全ての特許情報を開示し、宝石にシリアルナンバーをレーザーで刻む方法を行った[88]フロリダ州に本社を置くジェムシス社の公式サイトには、シリアルナンバー付きの宝石が紹介され、これらには"Gemesis created " とシリアルナンバーの前に"LG(Laboratory grown)"という文字を付け加えている[92]

2012年3月現在、ジェムシス社は自社が開発した1.0 - 1.5カラットの無色や黄色の合成ダイヤモンド宝石を販売し、合成ダイヤモンドアクセサリーは、天然ダイヤモンドよりも低価格でウェブサイトで一般向けに販売している[93][94]

脚注[編集]

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  2. ^ C. Royère (1999). “The electric furnace of Henri Moissan at one hundred years: connection with the electric furnace, the solar furnace, the plasma furnace?”. Annales pharmaceutiques françaises 57 (2): 116–30. PMID 10365467. 
  3. ^ Moissan, H. (1894). “Nouvelles expériences sur la reproduction du diamant”. Comptes Rendus 118: 320. 
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参考文献[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]