合成ダイヤモンド

2～3 mm (0.079～0.118 インチ) サイズのファセット加工されていないダイヤモンド結晶 6 個。色は黄色、緑黄色、緑青、水色、水色、濃青です。
高圧高温（HPHT）技術で生成された様々な色のラボグロウンダイヤモンド

合成ダイヤモンドまたはラボで製造されたダイヤモンド( LGD ) は、ラボで製造された、[ 1 ]ラボで作成された、人工、職人によって作成された、人工、または養殖ダイヤモンドとも呼ばれ、地質学的プロセスによって生成され、採掘によって得られる天然のダイヤモンドとは対照的に、管理された技術的プロセスで生成されるダイヤモンドです。ダイヤモンド類似品(表面上は類似した非ダイヤモンド材料で作られたダイヤモンドの模造品) とは異なり、合成ダイヤモンドは天然ダイヤモンドと同じ材料 (等方性の3D 形式で結晶化した純粋な炭素) で構成されており、化学的および物理的特性も天然ダイヤモンドと同一です。

合成ダイヤモンドの最大サイズは21世紀に劇的に増加しました。2010年以前は、ほとんどの合成ダイヤモンドは0.5カラット未満でした。技術の進歩とより大きなダイヤモンド基板の利用可能性により、2025年には最大125カラットの合成ダイヤモンドが生産されるようになりました。[ 2 ]

1797年、イギリスの化学者スミスソン・テナントは、ダイヤモンドが炭素の一形態であることを実証し、1879年から1928年にかけて、ダイヤモンドの合成に関する数多くの主張が報告された。 [ 3 ]これらの試みのほとんどは慎重に分析されたが、確認されたものはなかった。1940年代には、米国、スウェーデン、ソビエト連邦でダイヤモンド生成の体系的な研究が始まり、1953年に最初の再現可能な合成に至った。さらなる研究活動により、ダイヤモンド製造の高圧高温( HPHT ) 法と化学気相成長( CVD ) 法が開発されました。これら2つのプロセスは、現在でも合成ダイヤモンド製造の主流である。1990年代後半には、炭素含有爆薬の爆発でナノメートルサイズのダイヤモンド粒子を生成する、デトネーション合成と呼ばれる3番目の方法が市場に登場した。

合成ダイヤモンドは、窒素不純物の含有量の違いにより色合いが異なります。イエローダイヤモンドは炭素格子中の窒素含有量が多い場合に生成され、無色のダイヤモンドは純粋な炭素のみから生成されます。イエローダイヤモンドの最小サイズは約0.3mmです。

合成ダイヤモンドの特性は製造工程によって異なります。硬度、熱伝導率、電子移動度など、ほとんどの天然ダイヤモンドよりも優れた特性を持つものもあります。合成ダイヤモンドは、研磨剤、切削・研磨工具、ヒートシンクなどに広く使用されています。合成ダイヤモンドの電子用途は、発電所の高出力スイッチ、高周波電界効果トランジスタ、発光ダイオード（LED）など、開発が進められています。紫外線（UV）および高エネルギー粒子の合成ダイヤモンド検出器は、高エネルギー研究施設で使用されており、市販されています。熱的・化学的安定性、低熱膨張性、広いスペクトル範囲での高い光透過性という独自の組み合わせにより、合成ダイヤモンドは、高出力CO2検出器の光学窓として最も人気のある材料になりつつあります。2レーザーやジャイロトロンなど。工業用ダイヤモンドの需要の98%は合成ダイヤモンドで供給されていると推定されています。[ 4 ]

CVDダイヤモンドとHPHTダイヤモンドはどちらも宝石にカットすることができ、透明な白、黄色、茶色、青、緑、オレンジなど、様々な色を作り出すことができます。合成宝石の市場への登場は、ダイヤモンド取引業界に大きな懸念をもたらしました。その結果、合成ダイヤモンドと天然ダイヤモンドを区別するための特殊な分光装置と技術が開発されました。

歴史

モアッサン社は電気アーク炉を使って合成ダイヤモンドを作ろうとしている

ダイヤモンド合成の初期段階では、近代化学の創始者であるアントワーヌ・ラボアジエが重要な役割を果たした。ダイヤモンドの結晶格子が炭素の結晶構造に似ているという彼の画期的な発見は、ダイヤモンド製造の最初の試みへの道を開いた。[ 5 ] 1797年にダイヤモンドが純粋な炭素であることが発見された後、[ 6 ] [ 7 ]様々な安価な炭素をダイヤモンドに変換する多くの試みがなされた。[ 8 ] [ a ]最も初期の成功は、1879年にジェームズ・バランタイン・ハネイ[ 13 ]と1893年にフェルディナン・フレデリック・アンリ・モアッサンによって報告された。彼らの方法は、炉の中で炭素るつぼの中で木炭を鉄と一緒に最高3,500 °C (6,330 °F)で加熱するというものであった。ハネイが炎で加熱した管を用いたのに対し、モアッサンは新たに開発した電気アーク炉を用いました。この炉では、石灰ブロック内の炭素棒の間に電気アークを発生させます。[ 14 ]溶融鉄は水に浸漬することで急速に冷却されます。冷却によって生じる収縮によって、グラファイトをダイヤモンドに変化させるのに必要な高圧が生み出されたと考えられています。モアッサンは1890年代に一連の論文を発表し、この研究成果を発表しました。[ 8 ] [ 15 ]

他の多くの科学者がモアッサンとラフの実験を再現しようと試みた。ウィリアム・クルックス卿は1909年に成功を主張した。 [ 16 ]オットー・ラフは1917年に直径7mm（0.28インチ）までのダイヤモンドを製造したと主張したが[ 17 ]、後にその主張を撤回した。[ 18 ] 1926年、マクファーソン大学のJ・ウィラード・ハーシー博士はモアッサンとラフの実験を再現し[ 19 ] [ 20 ] 、合成ダイヤモンドを製造した。[ 21 ]モアッサン、ラフ、ハーシーの主張にもかかわらず、他の実験者は彼らの合成を再現することができなかった。[ 22 ] [ 23 ]

最も決定的な再現の試みは、サー・チャールズ・アルジャーノン・パーソンズによって行われた。蒸気タービンの発明で知られる著名な科学者で技術者である彼は、約40年間（1882～1922年）と財産のかなりの部分を費やしてモアッサンとハネイの実験を再現しようとしたが、彼自身のプロセスも採用した。[ 24 ]パーソンズは、細心の注意を払って正確なアプローチと系統的な記録管理で知られ、得られたサンプルはすべて、独立した団体によるさらなる分析のために保管された。[ 25 ]彼は多数の論文を執筆しており、その中にはHPHTダイヤモンドに関する初期のものも含まれ、その中で彼は小さなダイヤモンドを生成したと主張した。[ 26 ]しかし、1928年に彼はCHデッシュ博士に論文を発表する許可を与えた。[ 27 ]その論文の中で彼は、その日までに合成ダイヤモンド（モアッサンや他の研究者のダイヤモンドを含む）は生成されていないという自身の考えを述べた。彼は、その時点までに生産されたダイヤモンドのほとんどは合成スピネルである可能性が高いと示唆した。[ 22 ]

ASEA

ASEAによる最初の合成ダイヤモンド 1953年

ダイヤモンドの合成として知られている最初の（ただし当初は報告されていなかった）事例は、1953年2月16日、スウェーデンの大手電気機器製造会社ASEA （Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget）によってストックホルムで達成された。ASEAは1942年から、QUINTUSというコードネームの極秘ダイヤモンド製造プロジェクトの一環として、5人の科学者と技術者からなるチームを雇用した。チームはバルツァール・フォン・プラテンとアンダース・ケンペが設計した大型の分割球装置を使用した。[ 28 ] [ 29 ]装置内の圧力は推定8.4GPa（1,220,000psi）、温度は2,400℃（4,350℉）に1時間維持された。少数の小さなダイヤモンドが生成されたが、宝石品質やサイズではなかった。

特許取得プロセスに関する疑問と、世界的に他に本格的なダイヤモンド合成研究が行われていないという合理的な理由から、ASEA理事会は広報と特許申請を行わないことを決定した。そのため、ASEAの研究成果は1955年2月15日のGE記者会見の直後に発表された。[ 30 ]

GEダイヤモンドプロジェクト

高さ3メートルのプレス機
1980年代にコベルコが製造したベルトプレス

1941年、ゼネラル・エレクトリック（GE）、ノートン、カーボランダムの各社は、ダイヤモンド合成の更なる開発に関する合意に達しました。彼らは、3.5ギガパスカル（51万psi）の圧力下で炭素を約3,000℃（5,430℉）まで数秒間加熱することに成功しました。その後まもなく、第二次世界大戦によりプロジェクトは中断されました。プロジェクトは1951年にGEのスケネクタディ研究所で再開され、フランシス・P・バンディとH・M・ストロングらが高圧ダイヤモンドグループを結成しました。後にトレイシー・ホールらもプロジェクトに加わりました。[ 28 ]

スケネクタディグループは、 1946年にノーベル物理学賞を受賞したパーシー・ブリッジマンが設計したアンビルを改良しました。バンディとストロングが最初の改良を行い、その後ホールがさらに改良を加えました。GEチームは、油圧プレス機内で炭化タングステン製のアンビルを用いて、カトリナイト容器に入れられた炭素質サンプルを圧縮し、完成した粗粒を容器からガスケットに押し出しました。チームは一度ダイヤモンドの合成を記録しましたが、合成条件が不明確であったため、実験を再現することはできませんでした。[ 31 ]そして、このダイヤモンドは後に種として使用された天然ダイヤモンドであることが判明しました。[ 32 ]

ホールは1954年12月16日にダイヤモンドの商業的合成に初めて成功し、1955年2月15日に発表した。彼の画期的な発見は、サンプルの周りに弾性限界まで張力をかけられた硬化鋼製の環状「ベルト」を巻き付けたプレス機を用いて、10GPa（1,500,000psi）を超える圧力と2,000℃（3,630°F）を超える温度を発生させた時に起こった。[ 33 ]このプレス機は、溶融ニッケル、コバルト、または鉄にグラファイトを溶解させたパイロフィライト容器を使用していた。これらの金属は「溶媒触媒」として作用し、炭素を溶解し、ダイヤモンドへの変換を促進した。彼が製造した最大のダイヤモンドは直径0.15mm（0.0059インチ）で、宝飾品としては小さすぎて見た目も不完全であったが、工業用研磨材としては使用可能であった。ホールの同僚たちは彼の研究を再現することに成功し、その発見は主要学術誌ネイチャーに掲載された。[ 34 ] [ 35 ]彼は、再現性、検証性、そして十分に文書化されたプロセスを用いて合成ダイヤモンドを合成した最初の人物であった。彼は1955年にGEを退職し、3年後、 GEの特許出願に関する米国商務省の秘密保持命令に違反しないよう、ダイヤモンド合成のための新しい装置（4つのアンビルを備えた四面体プレス）を開発した。[ 32 ] [ 36 ]

さらなる発展

ペン型のホルダーに黄色のダイヤモンド刃が取り付けられたダイヤモンドメス
単結晶合成ダイヤモンド刃を備えたメス

宝石品質の合成ダイヤモンド結晶は、1970年にGE社によって初めて製造され、1971年に報告されました。最初の成功例では、両端にダイヤモンドの薄片を播種したパイロフィライト管が使用されました。グラファイト原料を中央に、金属溶媒（ニッケル）をグラファイトと種結晶の間に配置し、容器を加熱して圧力を約5.5GPa（800,000psi）まで上げました。結晶は管の中央から両端へと流れながら成長し、成長過程を長くするほど大きな結晶が生成されます。当初は1週間かかる成長過程を経て、直径約5mm（0.20インチ）（1カラットまたは0.2g）の宝石品質の結晶が作られましたが、その過程における条件は可能な限り安定させる必要がありました。グラファイト原料はすぐにダイヤモンドグリットに置き換えられました。ダイヤモンドグリットは、最終的な結晶の形状をより適切に制御できるためです。[ 35 ] [ 37 ]

最初の宝石品質の石は、窒素の混入により、常に黄色から茶色を呈していました。内包物、特にニッケル由来の「板状」の内包物が多く見られました。アルミニウムまたはチタンを添加して窒素を完全に除去すると、無色の「白い」石が得られ、窒素を除去してホウ素を添加すると青い石が得られました。[ 38 ]窒素を除去すると成長プロセスが遅くなり、結晶品質が低下するため、通常は窒素を存在させた状態で処理が行われました。

GE 石と天然ダイヤモンドは化学的には同一であったが、物理的特性は同じではなかった。無色の石は短波長紫外線下では強い蛍光と燐光を発したが、長波長紫外線下では不活性であった。天然ダイヤモンドでは、より希少な青色の宝石のみがこれらの特性を示した。天然ダイヤモンドとは異なり、GE 石はすべてX 線下で強い黄色の蛍光を示した。[ 39 ]デビアスダイヤモンド研究所は研究目的で最大 25 カラット (5.0 g) の石を育成した。このサイズの高品質ダイヤモンドを育成するため、安定した HPHT 条件が 6 週間維持された。経済的な理由から、ほとんどの合成ダイヤモンドは 1 ～ 1.5 カラット (200 ～ 300 mg) の質量に達すると育成が中止される。[ 40 ]

1950年代に、ソ連と米国で、比較的低温の800℃（1,470℉）で炭化水素ガスを熱分解してダイヤモンドを成長させる研究が始まりました。この低圧プロセスは化学気相成長法（CVD）として知られています。ウィリアム・G・エバーソールは1953年にダイヤモンド基板上へのダイヤモンドの気相成長に成功したと報告されていますが、1962年まで報告されませんでした。[ 41 ] [ 42 ]ダイヤモンド膜の堆積は、 1968年にアンガスと同僚によって、また1970年にデリャーギンとフェドセーエフによって独立して再現されました。[ 44 ] [ 45 ]エバーソールとアンガスは基板として大きく高価な単結晶ダイヤモンドを使用しましたが、デリャーギンとフェドセーエフは非ダイヤモンド材料（シリコンと金属）上にダイヤモンド膜を作ることに成功し、これが1980年代の安価なダイヤモンドコーティングの大規模な研究につながりました。[ 46 ]

2013年以降、未公開の合成メレダイヤモンド（中央のダイヤモンドを囲んだり、指輪を飾ったりするのに通常使用される小さなラウンドダイヤモンド）[ 47 ]が、セットジュエリーや取引されるダイヤモンド小包の中に発見されることが増加しているという報告が出てきました。[ 48 ]ダイヤモンドメレのコストが比較的低く、大量のメレを効率的に識別するための普遍的な知識が比較的不足しているため、[ 49 ]すべてのディーラーがダイヤモンドメレを検査して天然か合成かを正しく識別する努力をしているわけではありません。しかし、国際的な研究所は現在、この問題に正面から取り組み始めており、合成メレの識別は大幅に改善されています。[ 50 ]

最大の合成未加工ダイヤモンドは150.42カラットで、メイラー・グローバルLLP（英国）とアンドレイ・カトルシャ博士（ウクライナ）がウクライナのキエフで2021年11月16日に確認した。完成したダイヤモンドのサイズは28.55 x 28.25 x 22.53 mmである。[ 51 ]

製造技術

合成ダイヤモンドの製造にはいくつかの方法があります。最初の方法は高圧高温（HPHT）法で、比較的低コストであるため、現在でも広く使用されています。このプロセスでは、数百トンにもなる大型のプレス機を用いて、1,500℃（2,730℉）で5GPa（730,000psi）の圧力を発生させます。2つ目の方法は化学気相成長（CVD）法で、基板上に炭素プラズマを発生させ、その上に炭素原子を堆積させてダイヤモンドを形成します。その他の方法としては、爆発法（デトネーションナノダイヤモンドの形成）やグラファイト溶液の超音波処理などがあります。 [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]

高圧、高温

プレス装置の縦断面模式図。この図は、側面の金型で保持された中央ユニットが、2つのアンビルによって垂直方向に圧縮される様子を示しています。
ベルトプ​​レスの概略図

HPHT法では、合成ダイヤモンドの製造に必要な圧力と温度を供給するために、ベルトプレス、キュービックプレス、スプリットスフィア（BARS）プレスの3つの主要なプレス設計が用いられます。ダイヤモンドの種はプレスの底部に配置されます。プレスの内部は1,400℃（2,550℉）以上に加熱され、溶媒金属を溶融します。溶融金属は高純度の炭素源を溶解し、それが小さなダイヤモンドの種へと運ばれ、沈殿して大きな合成ダイヤモンドを形成します。[ 55 ]

トレーシー・ホールによるGEの最初の発明はベルトプレスを用いており、上下のアンビルが円筒状の内部セルに圧力負荷をかける。この内部圧力は、プレストレスを与えられた鋼帯のベルトによって放射状に閉じ込められる。アンビルは、圧縮されたセルに電流を供給する電極としても機能する。ベルトプレスの派生型では、内部圧力を閉じ込めるために鋼ベルトではなく油圧が用いられる。[ 55 ]ベルトプレスは現在でも使用されているが、当初の設計のものよりもはるかに大型になっている。[ 56 ]

2 つ目のタイプのプレス設計は、キュービック プレスです。キュービック プレスには 6 つのアンビルがあり、立方体の形状のすべての面に同時に圧力をかけます。[ 57 ]最初のマルチ アンビル プレス設計は四面体プレスで、4 つのアンビルを使用して四面体の形状の容積に収束しました。[ 58 ]キュービック プレスは、圧力を加えることができる容積を増やすために、その後まもなく作成されました。キュービック プレスは一般にベルト プレスよりも小さく、合成ダイヤモンドを作成するために必要な圧力と温度をより迅速に達成できます。ただし、キュービック プレスをより大きな容積にスケールアップすることは容易ではありません。加圧容積は大きなアンビルを使用して増やすことができますが、これにより、同じ圧力を達成するためにアンビルに必要な力も大きくなります。別の方法としては、より多くのアンビルを使用して12 面体などの高次のプラトン立体に収束させることで、加圧容積の表面積と容積の比を減らすことです。しかし、そのようなプレスは複雑で製造が困難であろう。[ 57 ]

BARSプレスの縦断面模式図：合成カプセルは4つのタングステンカーバイド製インナーアンビルに囲まれています。これらのインナーアンビルは4つのアウタースチールアンビルによって圧縮されます。アウターアンビルはディスクバレルに保持され、オイルに浸されています。オイル漏れを防ぐため、ディスクバレルとアウターアンビルの間にはゴム製のダイヤフラムが配置されています。
BARSシステムの概略図

BARS装置は、あらゆるダイヤモンド製造プレスの中で最もコンパクトで、効率が高く、経済的であるとされています。BARS装置の中央には、約2cm 3 (0.12立方インチ) の大きさの円筒形のセラミック製「合成カプセル」があります。セルは、パイロフィライトセラミックなどの圧力伝達材料でできた立方体の中に設置され、超硬合金（例えば、炭化タングステンまたはVK10硬質合金）製の内側のアンビルによって加圧されます。[ 59 ]外側の八面体キャビティは、8つの鋼鉄製の外側アンビルによって加圧されます。組み立て後、全体は直径約1m (3フィート3インチ) の円盤型バレルに固定されます。バレルにはオイルが充填されており、加熱すると圧力がかかり、そのオイル圧力が中央のセルに伝達されます。合成カプセルは同軸のグラファイトヒーターによって加熱され、温度は熱電対で測定されます。[ 60 ]

化学蒸着

自立型単結晶CVDダイヤモンドディスク

化学気相成長法（CVD）は、炭化水素ガス混合物からダイヤモンドを成長させる方法です。1980年代初頭以来、この方法は世界中で精力的に研究されてきました。高品質のダイヤモンド結晶を大量生産できるため、工業用途ではHPHT法がより適していますが、CVD装置の柔軟性と簡便性から、実験室研究ではCVD法が人気です。CVD法によるダイヤモンド成長の利点は、広い面積や様々な基板上にダイヤモンドを成長させることができること、そして化学不純物を細かく制御してダイヤモンドの特性を制御できることなどです。HPHTとは異なり、CVD法では高圧は不要で、成長は通常27 kPa（3.9 psi）以下の圧力で行われます。[ 52 ] [ 61 ]

CVD 成長には、基板の準備、チャンバー内へのさまざまな量のガスの供給とガスへの通電が含まれます。基板の準備には、適切な材料とその結晶方位の選択、多くの場合はダイヤモンド粉末を使用して非ダイヤモンド基板を研磨する基板の洗浄、一連のテスト実行による成長中の基板温度 (約 800 °C (1,470 °F)) の最適化が含まれます。さらに、均一で高品質のダイヤモンド成長を確保するには、ガス混合物の組成と流量を最適化することが最も重要です。ガスには常に炭素源 (通常はメタン) と水素が含まれ、一般的な比率は 1:99 です。水素は、非ダイヤモンド炭素を選択的にエッチングするため不可欠です。ガスは、成長チャンバー内でマイクロ波電力、高温フィラメント、アーク放電、溶接トーチ、レーザー、電子ビーム、またはその他の手段を使用して化学的に活性なラジカルにイオン化されます。

成長中、チャンバー内の材料はプラズマによってエッチングされ、成長中のダイヤモンドに混入する可能性があります。特にCVDダイヤモンドは、成長チャンバーのシリカ窓やシリコン基板に由来するシリコンによって汚染されることがよくあります。[ 62 ]そのため、シリカ窓は使用を避けるか、基板から離して配置する必要があります。また、チャンバー内にホウ素含有種が存在する場合、たとえ微量であっても、純粋なダイヤモンドの成長には適していません。[ 52 ] [ 61 ] [ 63 ]

爆発物の爆発

ブドウの房に似た画像。房は直径5nm（2.0×10−7インチ）のほぼ球形の粒子で構成されている。
デトネーションナノダイヤモンドの電子顕微鏡写真（TEM ）

ダイヤモンドナノ結晶（直径5 nm（2.0 × 10 −7 インチ））は、特定の炭素含有爆薬を金属容器内で爆発させることで生成できます。これらは「デトネーションナノダイヤモンド」と呼ばれます。爆発中、容器内の圧力と温度は、爆薬の炭素をダイヤモンドに変換するのに十分な高さまで上昇します。容器は水中に浸されているため、爆発後急速に冷却され、新たに生成されたダイヤモンドがより安定したグラファイトへの変換を抑制します。[ 64 ]この技術のバリエーションとして、グラファイト粉末を充填した金属管をデトネーション容器内に設置する方法があります。爆発により、グラファイトはダイヤモンドに変換するのに十分な加熱と圧縮を受けます。[ 65 ]生成物には常にグラファイトやその他の非ダイヤモンド炭素形態が多く含まれており、それらを溶解するには高温硝酸中で長時間（250 °C（482 °F）で約1日間）煮沸する必要があります。[ 53 ]回収されたナノダイヤモンド粉末は主に研磨用途に使用されます。主に中国、ロシア、ベラルーシで生産されており、2000年代初頭には市場に大量に流通し始めました。[ 66 ]

超音波キャビテーション

ミクロンサイズのダイヤモンド結晶は、大気圧および室温で、有機液体中のグラファイト懸濁液から超音波キャビテーションを用いて合成することができる。ダイヤモンドの収率は、最初のグラファイト重量の約10％である。この方法で生成されるダイヤモンドの推定コストはHPHT法のそれと同程度であるが、製品の結晶の完全性は超音波合成法よりも大幅に劣る。この技術は比較的簡単な装置と手順を必要とし、2つの研究グループによって報告されているが、2008年時点では産業利用されていなかった。最初のグラファイト粉末の準備、超音波出力の選択、合成時間、溶媒など、多くのプロセスパラメータが最適化されておらず、超音波合成の効率向上とコスト削減の余地が残されている。[ 54 ] [ 67 ]

液体金属内部の結晶化

2024年、科学者たちは、ガリウム、鉄、ニッケル、シリコン（77.25/11.00/11.00/0.25の比率）の液体金属合金に約1,025℃でメタンと水素のガスを注入し、1気圧でダイヤモンドを結晶化させる方法を発表しました。この結晶化は「シードレス」プロセスであり、従来の高圧高温法や化学気相成長法とは一線を画しています。メタンと水素の注入により、約15分後にダイヤモンドの核が形成され、約150分後には連続したダイヤモンド膜が形成されます。[ 68 ] [ 69 ]

プロパティ

伝統的に、結晶欠陥のなさはダイヤモンドの最も重要な品質と考えられています。純度と高い結晶の完全性はダイヤモンドを透明でクリアなものにしますが、硬度、光学分散性（光沢）、そして化学的安定性（マーケティングと相まって）はダイヤモンドを人気のある宝石にしています。高い熱伝導性も技術的な用途において重要です。高い光学分散性はすべてのダイヤモンドに共通する特性ですが、その他の特性はダイヤモンドの製造方法によって異なります。[ 70 ]

結晶度

ダイヤモンドは、単一の連続結晶である場合もあれば、多数の小さな結晶（多結晶）から構成される場合もあります。大きく透明で透明な単結晶ダイヤモンドは、通常、宝石として使用されます。多結晶ダイヤモンド（PCD）は、多数の小さな粒子で構成されており、強い光吸収と散乱により肉眼で容易に確認できます。宝石には適しておらず、鉱業や切削工具などの産業用途に使用されます。多結晶ダイヤモンドは、それを構成する結晶の平均サイズ（または粒径）で表すことがよくあります。粒径はナノメートルから数百マイクロメートルまでの範囲で、通常、それぞれ「ナノ結晶」ダイヤモンドと「マイクロ結晶」ダイヤモンドと呼ばれます。[ 71 ]

硬度

ダイヤモンドの硬度は、鉱物のモース硬度スケールで10であり、このスケールでは最も硬い既知の物質です。ダイヤモンドはまた、その耐圧性から、天然物質の中で最も硬いことが知られています。[ 72 ]合成ダイヤモンドの硬度は、その純度、結晶の完全性、配向によって異なります。[111]方向（立方ダイヤモンド格子の最長対角線に沿って）に配向された欠陥のない純粋な結晶の方が硬度が高くなります。[ 73 ] CVDダイヤモンド成長によって生成されるナノ結晶ダイヤモンドの硬度は、単結晶ダイヤモンドの30%から75%の範囲であり、硬度は特定の用途に合わせて制御できます。一部の合成単結晶ダイヤモンドとHPHTナノ結晶ダイヤモンド（ハイパーダイヤモンドを参照）は、既知のどの天然ダイヤモンドよりも硬いです。[ 72 ] [ 74 ] [ 75 ]

不純物と介在物

すべてのダイヤモンドには、分析技術で検出可能な濃度の炭素以外の原子が含まれています。これらの原子は凝集して、インクルージョンと呼ばれるマクロな相を形成することがあります。不純物は一般的に避けられますが、ダイヤモンドの特定の特性を制御するために意図的に導入されることもあります。溶媒触媒を用いた合成ダイヤモンドの成長プロセスでは、通常、遷移金属原子（ニッケル、コバルト、鉄など）を含む、不純物に関連する多数の錯体中心が形成され、材料の電子特性に影響を与えます。[ 76 ] [ 77 ]

例えば、純粋なダイヤモンドは電気絶縁体であるが、ホウ素が添加されたダイヤモンドは電気伝導体（場合によっては超伝導体）となり、[ 78 ]電子機器への応用が可能となる。窒素不純物は格子転位（結晶構造内の欠陥）の動きを阻害し、格子に圧縮応力を与えることで、硬度と靭性を高める。[ 79 ]

熱伝導率

CVDダイヤモンドの熱伝導率は、欠陥や粒界構造に応じて数十W/m 2 Kから2000 W/m 2 K以上までの範囲である。 [ 80 ] CVDでダイヤモンドが成長するにつれて、粒子は膜厚とともに成長し、膜厚方向に沿って熱伝導率の勾配が生じる。[ 80 ]

ほとんどの電気絶縁体とは異なり、純粋なダイヤモンドは結晶内の強力な共有結合により優れた熱伝導性を示します。純粋なダイヤモンドの熱伝導率は、既知の固体の中で最も高い値です。12C（99.9%）の同位体純度ダイヤモンドは、あらゆる物質の中で最も高い熱伝導率を持ち、室温で30 W/cm·Kで、銅の7.5倍の熱伝導率を誇ります。天然ダイヤモンドの熱伝導率は、13Cは自然界に存在し、格子内で不均一性として作用する。 [ 81 ]

ダイヤモンドの熱伝導性は、宝石商や宝石鑑定士によって利用されており、電子熱プローブを用いてダイヤモンドと模造品を鑑別することがあります。これらのプローブは、細い銅の先端に取り付けられた一対の電池駆動式サーミスタで構成されています。一方のサーミスタは加熱装置として機能し、もう一方のサーミスタは銅の先端の温度を測定します。検査対象の石がダイヤモンドであれば、先端の熱エネルギーを十分な速さで伝導し、測定可能な温度低下を引き起こします。この検査には約2～3秒かかります。[ 82 ]

産業用途

機械加工および切削工具

小さなダイヤモンドが埋め込まれた磨かれた金属板
アングルグラインダーの刃にダイヤモンド

合成ダイヤモンドの工業用途のほとんどは、長い間その硬度と関連付けられてきました。この特性により、ダイヤモンドは工作機械や切削工具に最適な素材となっています。天然に存在する物質の中で最も硬いことで知られるダイヤモンドは、他のダイヤモンドを含むあらゆる材料の研磨、切断、摩耗に使用できます。この特性の一般的な工業用途には、ダイヤモンドチップ付きのドリルビットや鋸、研磨剤としてのダイヤモンド粉末の使用などがあります。[ 83 ]これらは、合成ダイヤモンドの工業用途の中では圧倒的に最大です。天然ダイヤモンドもこれらの目的に使用されますが、合成HPHTダイヤモンドの方が人気が高く、その主な理由は機械的特性の再現性が高いためです。ダイヤモンドは鉄合金の高速加工には適していません。高速加工によって生じる高温では炭素が鉄に溶解するため、ダイヤモンド工具の摩耗が他の工具に比べて大幅に増加するためです。[ 84 ]

切削工具に使用されるダイヤモンドの一般的な形態は、金属マトリックス（通常はコバルト）中に分散したミクロンサイズの粒子を工具に焼結させたものです。これは業界では一般的に多結晶ダイヤモンド（PCD）と呼ばれています。PCDチップ付き工具は、鉱業や切削用途で使用されています。過去15年間、金属工具をCVDダイヤモンドでコーティングする研究が行われてきましたが、その成果は期待できるものの、従来のPCD工具を大幅に置き換えるには至っていません。[ 85 ]

熱伝導体

金属など、熱伝導率の高い材料の多くは電気伝導性も備えています。一方、純粋な合成ダイヤモンドは熱伝導率は高いものの、電気伝導性はごくわずかです。この組み合わせは、ダイヤモンドを高出力レーザーダイオード、レーザーアレイ、高出力トランジスタのヒートスプレッダーとして用いる電子機器にとって非常に貴重です。効率的な放熱はこれらの電子機器の寿命を延ばし、機器の交換コストが高いことから、比較的高価ではあるものの効率的なダイヤモンドヒートシンクの使用が正当化されます。[ 86 ]半導体技術では、合成ダイヤモンドヒートスプレッダーがシリコンなどの半導体デバイスの過熱を防止します。[ 87 ]

光学材料

ダイヤモンドは硬く、化学的に不活性で、高い熱伝導性と低い熱膨張係数を持っています。これらの特性により、ダイヤモンドは赤外線やマイクロ波の透過に使用される既存のどの窓材料よりも優れています。そのため、合成ダイヤモンドは、高出力CO2レーザー[ 88 ]やジャイロトロンの出力窓として、セレン化亜鉛に取って代わり始めています。これらの合成多結晶ダイヤモンド窓は、直径が大きく（ジャイロトロンの場合は約10cm）、厚さが小さい（吸収を減らすため）ディスク状に作られており、CVD技術でのみ製造できます。[ 89 ] [ 90 ]長さが約10mmまでの単結晶スラブは、レーザーキャビティ内のヒートスプレッダー、回折光学系、ラマンレーザーの光ゲイン媒体など、光学のいくつかの分野でますます重要になっています。[ 91 ]近年のHPHTおよびCVD合成技術の進歩により、単結晶ダイヤモンドの純度と結晶構造の完全性が向上し、シンクロトロンなどの高出力放射線源の回折格子や窓材としてシリコンの代替品として使用できるようになった。[ 92 ] [ 93 ] CVDプロセスとHPHTプロセスはどちらも、ダイヤモンドアンビルセルを使用して超高圧下で材料の電気的および磁気的特性を測定するためのツールとして、光学的に透明なダイヤモンドアンビルを作成するためにも使用されている。[ 94 ]

エレクトロニクス

合成ダイヤモンドは半導体としての潜在的な用途がある。[ 95 ]なぜならホウ素やリンなどの不純物をドープできるからである。これらの元素は炭素よりも価電子が1つ多いか1つ少ないため、合成ダイヤモンドはp型またはn型半導体になる。合成ダイヤモンドにホウ素とリンを順次ドーピングしてp–n接合を作ると、235 nmの紫外線を発する発光ダイオード（ LED ）が作られる。 [ 96 ]エレクトロニクスにおける合成ダイヤモンドのもう1つの有用な特性は高いキャリア移動度で、単結晶CVDダイヤモンド中の電子では4500 cm 2 /(V·s)に達する。 [ 97 ]高い移動度は高周波動作に有利で、ダイヤモンド製の電界効果トランジスタはすでに50 GHzを超える高周波性能が期待できることが実証されている。[ 98 ] [ 99ダイヤモンドの高い機械的安定性と相まって、これらの特性は発電所の高出力スイッチの試作品に利用されている。[ 100 ]

合成ダイヤモンドトランジスタは実験室で製造されています。シリコンデバイスよりもはるかに高い温度でも動作し、化学的損傷や放射線による損傷にも耐性があります。ダイヤモンドトランジスタはまだ商用電子機器への組み込みに成功していませんが、極めて高出力な状況や過酷な非酸化環境での使用に有望です。[ 101 ] [ 102 ]

合成ダイヤモンドはすでに放射線検出装置として利用されている。放射線に対して耐性があり、 5.5 eV （室温で）という広いバンドギャップを持つ。ダイヤモンドはまた、安定した自然酸化物が存在しないという点で他のほとんどの半導体と異なる。このため表面MOS装置の製造は難しいが、表面層で吸収されることなく紫外線が活性半導体に届く可能性がある。これらの特性のため、ダイヤモンドはスタンフォード線形加速器のBaBar検出器[ 103 ]やBOLD（真空紫外線太陽観測のための光学的光検出器を盲目にする装置）などの用途に利用されている。[ 104 ] [ 105 ]ダイヤモンドVUV検出器は最近、欧州LYRAプログラムで使用された。

導電性CVDダイヤモンドは、多くの状況下で有用な電極です。[ 106 ] CVD法で製造された多結晶ダイヤモンド膜の表面にDNAを共有結合させる光化学的方法が開発されています。このようなDNA修飾膜は、DNAと相互作用してダイヤモンド膜の電気伝導性を変化させる様々な生体分子の検出に使用できます。 [ 107 ]さらに、ダイヤモンドは通常は研究できない酸化還元反応の検出に使用でき、場合によっては水源中の酸化還元反応性有機汚染物質を分解することもできます。ダイヤモンドは機械的および化学的に安定しているため、従来の材料を破壊するような条件下でも電極として使用できます。電極として、合成ダイヤモンドは有機廃水の廃水処理[ 108 ]や強力な酸化剤の製造に使用できます。[ 109 ]

宝石

無色のファセットカットの宝石
化学蒸着法で成長したダイヤモンドから切り出された無色の宝石

宝石用合成ダイヤモンドは、 HPHT法[ 40 ]またはCVD法[ 110 ]で合成されます。技術の進歩により、より経済的な規模でより高品質の合成ダイヤモンドを大量に生産できるようになり、宝飾品品質の合成ダイヤモンドの市場シェアは拡大しています。[ 111 ] 2013年には、合成ダイヤモンドは宝石用として生産された原石ダイヤモンドの0.28%を占め、[ 112 ]宝石品質ダイヤモンド市場の2%を占めました。[ 113 ] 2023年には、合成ダイヤモンドはダイヤモンド宝飾品市場の17%を占めました。[ 114 ]色は、黄色、ピンク、緑、オレンジ、青、そして、それほど多くはないが無色（または白）があります。黄色は製造工程中の窒素不純物に由来し、青はホウ素に由来します。[ 38 ]ピンクや緑など、他の色は、放射線照射を用いた合成によって実現できます。[ 115 ] [ 116 ]また、火葬された遺骨から作られたメモリアルダイヤモンドを販売している会社もいくつかある。[ 117 ]

2015年5月、HPHT法で生成された無色ダイヤモンドの記録が10.02カラットに達しました。このファセットカットされた宝石は、約300時間かけて成長した32.2カラットの原石からカットされました。[ 118 ] 2022年までに、16～20カラットの宝石品質のダイヤモンドが生産されるようになりました。[ 119 ]合成ダイヤモンドは中国やインドなどの国で生産されており、天然ダイヤモンドよりも安価であるため、ボツワナなどの天然ダイヤモンド採掘国では雇用喪失につながっています。[ 120 ]

価格

2016年頃、合成ダイヤモンド宝石（例えば1カラット）の価格が「急激に」下落し始め、1年間で約30%下落し、採掘されたダイヤモンド宝石の価格を明らかに下回りました。[ 121 ] 2022年4月、CNN Businessは、婚約指輪によく使われる合成1カラットのラウンドダイヤモンドは、同じ特徴を持つ天然ダイヤモンドよりも最大73%安く、合成ダイヤモンドまたはラボで製造されたダイヤモンドを使用した婚約指輪の数は前年比で63%増加したのに対し、天然ダイヤモンドを使用した婚約指輪の販売数は同時期に25%減少したと報じました。[ 122 ] 2025年初頭までに、ラボで製造されたダイヤモンドの価格は2020年以降74%下落しており、今後も下落が続くと予想されています。この下落は、ラボで製造されるダイヤモンドの速度が数週間から数時間に向上したことが主な要因です。[ 123 ]

マーケティングと分類

研究室で育成された宝石品質のダイヤモンドは、化学的、物理的、光学的に天然ダイヤモンドと同等の性能を持つ場合があります。採掘ダイヤモンド業界は、価格操作を含む合成ダイヤモンドの台頭から市場を守るため、法的、マーケティング、流通面で対策を講じてきました。[ 124 ] [ 125 ]合成ダイヤモンドは、赤外線、紫外線、またはX線波長の分光法によって識別できます。デビアスのDiamondViewテスターは、紫外線蛍光を用いて、HPHTまたはCVDダイヤモンド中の窒素、ニッケル、その他の金属の微量不純物を検出します。[ 126 ] [ 127 ]他にも多くの検査機器が利用可能です。[ 128 ]

ダイヤモンド鑑定機関は、ラボで製造されたダイヤモンドと天然ダイヤモンドを確実に区別できる機器を備えています。米国宝石学研究所（GIA）、国際宝石学研究所（IGI）、宝石科学国際（GSI）など、複数の研究所では、鑑定対象となるラボで製造されたダイヤモンドのガードルに、レポート番号とラボで製造されたダイヤモンドであることを示すレーザー刻印を施しています。刻印は肉眼では見えませんが、10倍に拡大すると確認できます。[ 129 ]

2018年5月、デビアスは合成ダイヤモンドを特徴とする「ライトボックス」という新しいジュエリーブランドを導入すると発表した。同社は世界最大のダイヤモンド採掘会社であり、以前は合成ダイヤモンドを公然と批判していたため、これは注目に値する。[ 130 ] 2018年7月、米国連邦取引委員会（FTC）は、ジュエリーガイドの大幅な改訂を承認し、業界がダイヤモンドとダイヤモンド類似品を説明する方法に関する新しいルールを課す変更を加えた。[ 131 ]改訂されたガイドラインは、2016年にデビアスが提唱していたものとは大幅に矛盾していた。[ 130 ] [ 132 ] [ 133 ]新しいガイドラインでは、「ダイヤモンド」の定義から「天然」という言葉が削除され、「ダイヤモンド」の定義の範囲内にラボで製造されたダイヤモンドが含まれるようになった。改訂版のガイドラインではさらに、「マーケティング担当者が『合成』という言葉を使って、競合他社のラボで製造されたダイヤモンドが本物のダイヤモンドではないと示唆した場合、…これは欺瞞行為となる」と述べている。[ 134 ] [ 132 ] FTCの新しいガイドラインによると、GIAは2019年7月にラボで製造されたダイヤモンドの認証プロセスとレポートから「合成」という言葉を削除した。[ 135 ]

倫理的および環境的配慮

伝統的なダイヤモンド採掘は、アフリカ諸国やその他のダイヤモンド採掘国において人権侵害を引き起こしてきました。 [ 136 ] 2006年のハリウッド映画『ブラッド・ダイヤモンド』は、この問題を世間に広く知らしめる一因となりました。消費者が倫理的に健全で安価な石を求めるにつれ、合成ダイヤモンドの需要は高まっています。[ 137 ]

参照

注記

  1. ^ 1828年にはすでに研究者らがダイヤモンドを合成したと主張していた。
    • アカデミー科学会議議事録、1828年11月3日: [ 9 ] 「純粋な二硫化炭素と接触させたリンの作用と、ダイヤモンド粒子に似た特性を示した実験の生成物に関するいくつかの研究を報告したガナル氏からの手紙が朗読された。」
    • 「本物のダイヤモンドの人工生産」、メカニクス・マガジン、10（278）：300–301（1828年12月6日）[ 10 ]
    • アカデミー科学アカデミーの降霊術会議、1828年11月10日: [ 11 ]「アラゴ氏はカニャール・ド・ラトゥール氏からのメモを伝えた。その中でこの物理学者は、自分はガナル氏とは異なる方法で炭素を結晶化させることに成功し、1824年に長官に預けた密封された小包に最初の手順の詳細が含まれていると述べている。アラゴ氏は、同様の結果に達した別の人物を知っていると発表し、ゲイ＝リュサック氏は、ガナル氏が8年前にその試みについて彼に話したと発表した。」
    • Procès-verbaux des séances de l'Académie (科学アカデミー)、1828 年 12 月 1 日: [ 12 ]「テナール氏は、カニャール・ド・ラトゥール氏によって人造ダイヤモンドとして提示された粉末について 1828 年 11 月 26 日に行われた実験の議事録を朗読しました。」

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参考文献

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