способ улучшения цвета алмаза при высокой температуре и высоком давлении (варианты)

Формула изобретения

1. Способ улучшения цвета алмаза, включающий в себя стадии

(i) создания реакционной массы путем обеспечения наличия алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз; и

(ii) воздействия на реакционную массу высокой температуры и давления в течение подходящего периода времени,

отличающийся тем, что алмаз представляет собой алмаз типа IIb, и его цвет изменяют с серого на голубой или синий или усиливают путем воздействия на реакционную массу температуры в интервале от 1800 до 2600°С при давлении от 6,7 до 9 ГПа.

2. Способ улучшения цвета алмаза, включающий в себя стадии

(i) создания реакционной массы путем обеспечения наличия алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз; и

(ii) воздействия на реакционную массу высокой температуры и давления в течение подходящего периода времени,

отличающийся тем, что алмаз представляет собой содержащий бор алмаз типа II, и его цвет изменяют на голубой или синий путем воздействия на реакционную массу температуры в интервале от 1800 до 2600°С при давлении от 6,7 до 9 ГПа.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что период термообработки на стадии (ii) не превышает 20 ч.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на стадии (ii) реакционную массу подвергают воздействию температуры и давления в течение от 10 мин до 15 ч.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на стадии (ii) реакционную массу подвергают воздействию температуры и давления в течение приблизительно 1 ч.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что температура на стадии (ii) составляет от 2000 до 2500°С.

7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что температура на стадии (ii) составляет от 2200 до 2500°С.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что давление на стадии (ii) составляет от 7,6 до 8,4 ГПа.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что перед воздействием на алмаз температуры и давления спектр алмаза в ультрафиолетовой и видимой области характеризуется монотонно возрастающей интенсивностью поглощения по мере уменьшения длины волны, и тем, что после воздействия на алмаз температуры и давления алмаз имеет спектр, который характеризуется уменьшением поглощения на малых длинах волн.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что после воздействия на алмаз температуры и давления алмаз имеет спектр, который характеризуется увеличенным поглощением в красной части видимого спектра, частично обусловленным увеличением концентрации некомпенсированного бора.

11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что множество алмазов помещают в передающую давление среду, при этом каждый алмаз отделен от соседнего с ним алмаза передающей давление средой.

12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой однородную среду, которая полностью окружает алмаз или каждый из алмазов и которую прикладывают по всей поверхности алмаза или каждого из алмазов.

13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реакционную массу создают путем уплотнения передающей давление среды вокруг алмаза перед помещением алмаза в реакционную зону установки для обработки при высокой температуре и высоком давлении и воздействием на реакционную массу условий стадии (ii).

14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передающая давление среда имеет малое сопротивление сдвигу.

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передающая давление среда является растворимой в воде.

16. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль металла.

17. Способ по любому из пп.1-15, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой галогенидную соль металла.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что галогенид представляет собой хлорид или бромид.

19. Способ по любому из пп.16-18, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль щелочного металла.

20. Способ по любому из пп.16-18, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль благородного металла.

21. Способ по п.16 или 17, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль калия.

22. Способ по п.16 или 17, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль натрия.

23. Способ по п.16 или 17, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль цезия.

24. Способ по п.16 или 17, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль меди.

25. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой бромид калия.

26. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой хлорид натрия.

27. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой хлорид калия.

28. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой хлорид цезия.

29. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой бромид цезия.

30. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой хлорид меди.

31. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой бромид меди.

Описание изобретения к патенту

Предпосылки создания изобретения

Данное изобретение относится к способу улучшения цвета алмаза.

Алмазы, как правило, подразделяют на четыре основных типа: Ia, Ib, IIa и IIb. Эти типы обычно различаются по инфракрасному и ультрафиолетовому спектрам. Алмазы типа Ia и Ib содержат азот в комбинации различных форм. Алмаз типа Ib содержит одиночные замещающие атомы азота или С-центры. Алмаз типа Ia содержит комбинацию различных структур из атомов азота. Алмазы типа IIa имеют содержание азота менее нескольких частей на миллион и могут быть охарактеризованы как алмазы, которые не демонстрируют по существу никакого поглощения в диапазоне 1332-400 см^-1 при облучении их инфракрасным излучением. Алмаз типа На может иметь коричневый цвет, обусловленный, как полагают, структурной деформацией внутри кристаллической решетки алмаза. Алмазы типа IIb имеют концентрацию азота менее нескольких частей на миллион и концентрацию замещающих атомов бора, которая превышает концентрацию азотных дефектов, что приводит к появлению некомпенсированных свойств полупроводника р-типа (т.е. полупроводника с дырочной проводимостью). Поглощение алмаза в видимой области, уменьшающееся по интенсивности при уменьшении длины волны, приводит к получению голубого или синего цвета.

Сочетание голубого или синего цвета благодаря наличию бора и коричневого цвета, обусловленного структурной деформацией в алмазе типа IIb, приводит к цвету от голубовато-серого до коричневато-серого в зависимости от относительных интенсивностей соответствующего поглощения.

В патенте США 4124690 описан способ преобразования азота типа Ib в азот типа Ia в алмазе типа Ib посредством высокотемпературного отжига под давлением, которое предотвращает графитизацию. Результатом этой обработки является уменьшение желтого цвета алмаза типа Ib.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ улучшения цвета алмаза, включающий в себя стадии: (i) создания реакционной массы путем обеспечения наличия алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз, и (ii) воздействия на реакционную массу высокой температуры и давления в течение подходящего периода времени, отличающийся тем, что алмаз представляет собой алмаз типа IIb, и его цвет изменяют с серого на голубой или синий или усиливают путем воздействия на реакционную массу температуры в интервале от 1800°С до 2600°С при давлении от 6,7 ГПа до 9 ГПа.

В соответствии с настоящим изобретением предложен также способ улучшения цвета алмаза, включающий в себя стадии: (i) создания реакционной массы путем обеспечения наличия алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз; и (ii) воздействия на реакционную массу высокой температуры и давления в течение подходящего периода времени, отличающийся тем, что алмаз представляет собой содержащий бор алмаз типа II, и его цвет изменяют на голубой или синий путем воздействия на реакционную массу температуры в интервале от 1800°С до 2600°С при давлении от 6,7 ГПа до 9 ГПа.

Алмазы типа IIb имеют концентрацию азота менее нескольких частей на миллион и концентрацию замещающих атомов бора, которая превышает концентрацию азотных дефектов, что приводит к появлению некомпенсированных свойств полупроводника р-типа, т.е. полупроводника с дырочной проводимостью. Типичные спектры поглощения алмаза типа IIb в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра показаны на фиг.1. Настоящее изобретение применимо для алмаза типа IIb, который имеет серый цвет. Серый цвет может варьироваться от серого до коричневато-серого, при этом его спектр характеризуется монотонно возрастающей интенсивностью поглощения при уменьшении длины волны, как показано на фиг.2 с помощью линии (а) графика. После термообработки алмаза по настоящему изобретению получают или усиливают голубой или синий цвет, и алмаз имеет спектр, который характеризуется уменьшением поглощения при малых значениях длины волны, как показано на фиг.2 с помощью линии (b).

Голубой цвет алмаза усиливают путем использования температуры отжига в интервале от 1800°С до приблизительно 2600°С. Как правило, чем выше температура отжига, тем короче период отжига. Как правило, не используют продолжительность отжига, превышающую 20 часов. Предпочтительно температура отжига составляет от 2200°С до 2500°С, при этом отжиг проводят под давлением от 6,7 ГПа до 8,4 ГПа, а предпочтительно - под давлением от 7,6 ГПа до 8,4 ГПа, в течение периода времени, составляющего от 10 минут до 15 часов, а предпочтительно - составляющего 1 час. Примерами подходящих условий отжига являются следующие: 2500°С в течение 1 часа; 2500°С в течение 10 минут; 2100°С в течение 20 часов; 2300°С в течение 5 часов.

Описание вариантов осуществления

В соответствии с настоящим изобретением кристалл алмаза типа IIb, который имеет цвет от серого до коричневато-серого и, как правило, представляет собой природный алмаз, подвергают отжигу под давлением, которое предотвращает существенную графитизацию, чтобы модифицировать структурную деформацию в алмазе, которая вызывает окрашивание в коричневый цвет, тем самым уменьшая окрашивание в коричневый цвет и усиливая голубой цвет алмаза. В некоторых случаях исходная концентрация бора является столь низкой, что доминирующее влияние на поглощение оказывает компонент, приводящий к окрашиванию в коричневый цвет, в результате чего образуется коричневый алмаз. Кроме того, в некоторых случаях бор не поддается обнаружению по поглощению в исходном алмазе, возможно, вследствие эффекта, называемого компенсацией заряда. Следует понимать, что оба таких алмаза охватываются термином «серый алмаз типа IIb», используемым в данном описании и в формуле изобретения.

Голубые или синие природные алмазы являются редкими. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением разработан способ усиления голубого или синего цвета природного алмаза типа IIb, не вызывая при этом повреждений кристалла алмаза.

Изменение цвета кристалла алмаза типа IIb может быть количественно оценено за счет изменений в спектре поглощения кристалла, полученном до и после отжига. Спектры поглощения кристалла получают при комнатной температуре с помощью спектрометра обычным образом, что позволяет получить спектр поглощения кристалла в ультрафиолетовой и видимой области. После отжига кристалла снова получают его спектры при комнатной температуре. Обработка кристаллов алмаза типа IIb в соответствии со способом отжига по данному изобретению приводит к уменьшению монотонно увеличивающегося поглощения, при этом основное поглощение остается на волнах большей длины, в результате чего усиливается голубой или синий цвет. В результате использования способа отжига по изобретению также увеличивается концентрация некомпенсированного бора. Это также способствует усилению голубого или синего цвета.

В соответствии со способом по изобретению реакционную массу создают путем обеспечения наличия алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз. Предпочтительно, реакционную массу создают путем уплотнения передающей давление среды вокруг алмаза перед помещением алмаза в реакционную зону установки для обработки при высокой температуре и высоком давлении.

Передающая давление среда предпочтительно представляет собой однородную гомогенную передающую давление среду, которая обеспечивает равномерное распространение давления, приложение которого осуществляют по всей поверхности алмаза, который подвергают обработке. Примерами пригодных сред являются те, которые имеют низкое сопротивление сдвигу, такие как соли металлов, например галогенидные соли металлов. Передающая давление среда может представлять собой соль благородного металла. Примерами пригодных галогенидных солей металлов являются бромид калия, хлорид натрия, хлорид калия, хлорид цезия, бромид цезия, хлорид меди и бромид меди. Было установлено, что такие среды обеспечивают желательное равномерное распространение давления, что гарантирует то, что любая графитизация, которая может происходить на поверхности алмаза, будет минимальной. Особое преимущество использования галогенидной соли металла в качестве передающей давление среды заключается в том, что алмазы могут быть легко извлечены после обработки путем растворения этой среды в горячей воде.

Способ по изобретению может быть использован для обработки единичного алмаза или множества дискретных (разрозненных) алмазов. Если множество разрозненных алмазов будет подвергнуто обработке одновременно, каждый алмаз должен быть отделен от соседних с ним алмазов передающей давление средой. Максимальный объем алмаза, который может быть подвергнут обработке, ограничен только емкостью используемой установки для обработки при высоком давлении и высокой температуре.

Для реализации способа по изобретению можно использовать обычную установку для обработки при высокой температуре и высоком давлении. В патентной литературе раскрыты различные конструкции реакционных сосудов, которые обеспечивают косвенный или прямой нагрев реакционной массы, и они пригодны для осуществления способа отжига по настоящему изобретению. Эти реакционные сосуды обычно состоят из множества вставляемых друг в друга (подогнанных друг к другу) цилиндрических элементов и концевых заглушек или дисков для удерживания реакционной массы в самом центральном цилиндре. В реакционном сосуде с косвенным нагревом один из цилиндрических элементов выполнен из графита, который нагревают путем пропускания электрического тока через него и который тем самым нагревает реакционную массу. В реакционном сосуде с прямым нагревом реагирующая масса является электропроводящей, в результате чего устраняется необходимость использования цилиндра из электропроводящего графита, и электрический ток пропускают непосредственно через реагирующую массу для ее нагрева.

Изобретение проиллюстрировано с помощью нижеприведенных примеров.

Пример 1

Был использован природный коричневато-серый алмаз типа IIb со спектром поглощения в ультрафиолетовой и видимой области перед обработкой, показанным на фиг.2 в виде линии (а). Множество таких алмазов было помещено в передающую давление среду в реакционном сосуде такого типа, как проиллюстрированный на фиг.3. Как показано на этой фигуре, кристаллы 10 алмазов помещают в передающую давление среду 12 таким образом, что кристаллы являются разрозненными (дискретными) и отделены друг от друга в передающей давление среде. Алмазы, предпочтительно, равномерно распределены в среде. Передающая давление среда, предпочтительно, представляет собой среду с низким сопротивлением сдвигу описанного выше типа. Содержащую алмазы среду 12 помещают в контейнер 14, изготовленный из графита, пирофиллита, оксида магния или оксида циркония, полностью окруженный взаимоподогнанными металлическими колпаками 16, 18, которые образуют металлический корпус вокруг контейнера 14. Металл может представлять собой молибден, тантал или сталь. Корпус может быть прижат к контейнеру для устранения воздушных полостей. Загруженный контейнер в корпусе затем помещают в реакционную зону обычной установки для обработки при высокой температуре и высоком давлении. Содержимое капсулы было подвергнуто воздействию температуры 2200°С и давления 7,6 ГПа, при этом данный режим сохранялся в течение периода времени, составляющего 12 часов. Капсулу извлекали из установки и обеспечивали возможность ее охлаждения. Корпус и графитовый контейнер удаляли, и алмазы извлекали из среды. Спектр поглощения алмаза в ультрафиолетовой и видимой области после обработки показан на фиг.2 в виде линии (b). Спектр показывает уменьшение коричневого фона после отжига. Поскольку в спектре поглощения теперь преобладает поглощение в красном конце спектра, уменьшающееся по мере уменьшения длины волны, алмаз выглядит голубым или синим.

Пример 2

Природный коричневато-серый алмаз типа IIb подвергли обработке таким же образом, как в основном указано в примере 1, за исключением того, что температура отжига составляла 2500°С при давлении, указанном в примере 1, и эти условия сохраняли в течение периода, равного 1 часу. Спектр поглощения в ультрафиолетовой и видимой области перед обработкой показан на фиг.4 в виде линии (а), в то время как спектр поглощения алмаза в ультрафиолетовой и видимой области после обработки показан на фиг.4 в виде линии (b). В данном случае спектр также характеризуется уменьшением коричневого фона после отжига. Кроме того, увеличенное поглощение в красной части видимого спектра, приводящее к получению более насыщенного голубого или синего цвета, частично обусловлено увеличением концентрации некомпенсированного бора.