阅读说明：本技术 一种金刚石的优化方法 (Diamond optimization method ) 是由 陈玉琦 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种金刚石的优化方法,具体为：1.将金刚石埋入介质材料中,然后于500-800℃预热8-20分钟；2.先升温至1900-2300℃后温度维持不变,升温过程中3秒内加压至10GPa,保温保压10-15分钟,接着在30秒内将压力降至2GPa,保温保压8-16分钟,然后在3秒内加压至10GPa,保温保压12-18分钟；3.降温降压,降至300-400℃,保温1-2分钟后继续降温；4.降至常温常压后进行表面处理。该方法能优化金刚石,将金属杂质含量降至80ppm以下,氮夹杂降至50ppm以下,金刚石颜色为无色,Raman peak为1331.75cm<Sup>-1</Sup>～1332.68cm<Sup>-1</Sup>。(The invention relates to a diamond optimization method, which specifically comprises the following steps: 1. embedding diamond into a dielectric material, and then preheating for 8-20 minutes at the temperature of 500-800 ℃; 2. firstly heating to 1900-2300 ℃, keeping the temperature unchanged, pressurizing to 10GPa within 3 seconds in the heating process, preserving heat and maintaining pressure for 10-15 minutes, then reducing the pressure to 2GPa within 30 seconds, preserving heat and maintaining pressure for 8-16 minutes, then pressurizing to 10GPa within 3 seconds, preserving heat and maintaining pressure for 12-18 minutes; 3. cooling and reducing the pressure to 300-400 ℃, and keeping the temperature for 1-2 minutes and then continuing cooling; 4. and (5) reducing the temperature to normal temperature and normal pressure, and then carrying out surface treatment. The method can optimize diamond, reduce metal impurity content to below 80ppm, reduce nitrogen impurity content to below 50ppm, and make diamond color colorless, and Raman peak of 1331.75cm ‑1 ～1332.68cm ‑1 。)

一种金刚石的优化方法

技术领域

本发明属于金刚石优化领域，尤其涉及金刚石的去除杂质和改变颜色领域。

背景技术

金刚石是碳元素的同素异形体，集多种优异性能于一身，比如：金刚石具有最高的原子数密度、最大的硬度，在298K时，其热导率以及弹性模量是已知物质中最大的，结晶完美的面心立方金刚石具有1332cm^-1的特征拉曼峰(Raman peak)，受到应力时，金刚石的特征拉曼峰发生移动，张应力使1332cm^-1向低波数漂移，压应力使1332cm^-1峰向高波数移动。金刚石不仅性能优越，还具有各种璀璨的颜色，在工业应用上和宝石市场上都受到追捧。

但是，无论是更加稀有的天然金刚石，还是人工合成金刚石，都存在多种杂质。天然金刚石受其形成过程中的环境影响，会有氮、氢、氧等杂质摄入；人工合成金刚石受其生产工艺条件影响，会有氮、氢、氧、金属等杂质摄入。氮是金刚石中最主要的杂质，金刚石杂质的存在一方面影响了金刚石的颜色，另一方面还会影响了其性能从而限制金刚石应用场景。

为了对金刚石除杂改色，使其具有更广阔的应用空间，国内外研究人员进行了各种研究。

专利文献1：US2007/0290408A1提出了对单晶化学气相沉积金刚石进行退火，将CVD金刚石温度和压力升高到在金刚石稳定相之外的至少1500℃的设定温度和至少4.0GPa的压力来改进CVD金刚石光学透明度。专利文献1还公开了：I.M.Reinitz等人在Gems&Gemology36，128-137(2000)中报道了通过高温高压退火使褐色天然金刚石的褐色变浅并且减少杂质。

然而，专利文献1仅涉及对单晶CVD金刚石退火，处理对象范围受限，且其氮、金属杂质同时去除效果存在不足。

专利文献2：CN106268522B提出一种人工合成大单晶金刚石调色改性加工工艺及其制备方法，通过高温高压处理来去除人工合成金刚石内部易夹杂的大量黑色杂质。

但专利文献2仅针对传统人工合成金刚石易出现的黑芯现象，难以保证对金刚石氮、金属杂质的同时去除效果，且使用了过于复杂的温度及压力变化曲线去调控温度及压力，势必增加工艺控制难度及成本。

专利文献3：CN101054661A提出高温高压法改善金刚石膜综合性能的方法，其采用高温高压法处理自支撑CVD金刚石膜以减少或消除晶界处氮、氧、氢等元素夹杂和晶界处非金刚石碳含量，显著提高金刚石膜纯度。

但是专利文献3仅涉及对金刚石膜高温高压处理，难以适应氮、金属夹杂同时存在的情形，且不仅需要用触媒粉、溶剂金属粉、石墨粉配置混合粉体，还需将金刚石膜坯料混在一定的混合粉中压制成合成块，工序复杂，且容易将混合粉体中的夹杂带入金刚石。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是：提供一种金刚石的优化方法，该方法能同时去除氮、金属夹杂，同时改善内应力；最终能同时将金属杂质含量降至80ppm以下，氮夹杂降至50ppm以下，还能将金刚石颜色改为无色，可将金刚石的拉曼本征峰位(Ramanpeak)改善为1331.75cm^-1～1332.68cm^-1。

为实现以上目的，本发明采取了以下技术方案：

一种金刚石的优化方法，具体步骤如下：

1)将金刚石埋入介质材料中，然后于500-800℃预热8-20分钟；其中，所述的介质材料的成分按质量百分比计为：Ti或V：0.5-3％，稀土：1-4％，余量为六方氮化硼；优选地，所述的稀土是La、Ce、Pr或Nd；

2)先升温至1900-2300℃后温度维持不变，在所述的升温过程中3秒内加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压10-15分钟，随后，在30秒内将压力降至2GPa，在2GPa的压力条件下保温保压8-16分钟，最后，在3秒内加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压12-18分钟；

3)进行降温降压，将温度降至300-400℃，保温1-2分钟后继续降温；

4)降至常温常压后，对金刚石进行表面处理。

优选地，所述的介质材料的成分按质量百分比计为：Ti或V：2-2.5％，稀土：3-3.5％，余量为六方氮化硼，以获得更佳的除杂改色效果。

上述步骤2)中，保温处理适宜的温度是1900-2300℃，温度过低，会造成氮杂质及金属杂质的移动动能不足，除杂改色效果差；温度过高，金刚石石墨化趋势增加从而不利于金刚石的除杂改色。需要使用适宜的保温保压时间，保温保压时间过低将导致处理不完全，保温保压时间过高并不能带来氮、金属杂质的进一步降低。优选地，升温至1950-2050℃，能使得氮杂质降至40ppm以下，金属杂质降到60ppm以下以获得更佳的除杂改色效果。此外，3秒内加压至10GPa及在30秒内将压力降至2GPa，为的是利用压力的快升快降以强化介质材料对氮杂质及金属杂质的吸附效果。加压和降压过慢，无法获得增强介质材料的吸附力的效果；优选地，在20秒内将压力降至2GPa。

上述步骤1)中的预热及步骤3)中的保温处理在保证除杂改色效果的前提下能有助于改善金刚石的内应力，优选地，步骤1)中，所述的预热温度是600-700℃；步骤3)中所述的温度降至350-380℃，可将金刚石的拉曼本征峰位(Raman peak)改善至更接近结晶完美的面心立方金刚石的Raman peak。

优选地，步骤4)中，经过3-5分钟降至常温常压。降温过快会增加金刚石内部缺陷从而影响性能，过慢会影响处理效率，综合考虑，设定在3-5分钟降至常温常压。

优选地，所述的金刚石是天然金刚石。

附图说明

图1为本发明的实施例1中处理后的天然金刚石的拉曼光谱

图2为本发明的实施例2中处理后的天然金刚石的拉曼光谱

图3为本发明的实施例3中处理后的天然金刚石的拉曼光谱

图4为本发明的实施例4中处理后的天然金刚石的拉曼光谱

图5为本发明的实施例5中处理后的天然金刚石的拉曼光谱

图6为本发明的实施例6中处理后的天然金刚石的拉曼光谱

图7为本发明的对比例1中处理后的天然金刚石的拉曼光谱

图8为本发明的对比例2中处理后的天然金刚石的拉曼光谱

图9为本发明的对比例3中处理后的天然金刚石的拉曼光谱

具体实施方式

以下用实施例对发明作进一步阐述，将有助于对本发明的方法及其优点做进一步说明。

实施例1

1)将天然金刚石埋入介质材料中，然后于500℃预热8分钟；介质材料的成分按质量百分比计为：Ti：0.5％，Ce：1％，余量为六方氮化硼；2)先升温至1900℃后温度维持不变，在升温过程中3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压10分钟，随后，30秒将压力降至2GPa，在2GPa的压力条件下保温保压8分钟，最后，3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压12分钟；3)进行降温降压，将温度降至300℃，保温1分钟后继续降温；4)降至常温常压后，对天然金刚石进行表面处理。

经检测，实施例1的天然金刚石处理前为深褐色，氮浓度：893ppm，金属杂质浓度：1109ppm；处理后为无色，氮浓度：49ppm，金属杂质浓度：75ppm，Raman peak为1332.68cm^-1。

实施例2

1)将天然金刚石埋入介质材料中，然后于600℃预热12分钟；介质材料的成分按质量百分比计为：Ti：2％，La：2％，余量为六方氮化硼；2)先升温至2100℃后温度维持不变，在升温过程中2秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压12分钟，随后，25秒将压力降至2GPa，在2GPa的压力条件下保温保压10分钟，最后，3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压14分钟；3)进行降温降压，将温度降至350℃，保温1.5分钟后继续降温；4)降至常温常压后，对天然金刚石进行表面处理。

经检测，实施例2的天然金刚石处理前为深褐色，氮浓度：889ppm，金属杂质浓度：1089ppm；处理后为无色，氮浓度：45ppm，金属杂质浓度：71ppm，Raman peak为1332.18cm^-1。

实施例3

1)将天然金刚石埋入介质材料中，然后于650℃预热20分钟；介质材料的成分按质量百分比计为：V：2.5％，Pr：2.5％，余量为六方氮化硼；2)先升温至2200℃后温度维持不变，在升温过程中3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压14分钟，随后，20秒将压力降至2GPa，在2GPa的压力条件下保温保压13分钟，最后，2秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压15分钟；3)进行降温降压，将温度降至380℃，保温1分钟后继续降温；4)降至常温常压后，对天然金刚石进行表面处理。

经检测，实施例3的天然金刚石处理前为深褐色，氮浓度：897ppm，金属杂质浓度：1115ppm；处理后为无色，氮浓度：42ppm，金属杂质浓度：63ppm，Raman peak为1332.10cm^-1。

实施例4

1)将天然金刚石埋入介质材料中，然后于700℃预热15分钟；介质材料的成分按质量百分比计为：Ti：2.5％，Nd：3.5％，余量为六方氮化硼；2)先升温至2050℃后温度维持不变，在升温过程中3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压15分钟，随后，20秒将压力降至2GPa，在2GPa的压力条件下保温保压11分钟，最后，3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压18分钟；3)进行降温降压，将温度降至350℃，保温2分钟后继续降温；4)降至常温常压后，对天然金刚石进行表面处理。

经检测，实施例4的天然金刚石处理前为深褐色，氮浓度：903ppm，金属杂质浓度：1119ppm；处理后为无色，氮浓度：31ppm，金属杂质浓度：54ppm，Raman peak为1331.93cm^-1。

实施例5

1)将天然金刚石埋入介质材料中，然后于800℃预热18分钟；介质材料的成分按质量百分比计为：Ti：2％，Ce：3％，余量为六方氮化硼；2)先升温至1950℃后温度维持不变，在升温过程中1秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压12分钟，随后，18秒将压力降至2GPa，在2GPa的压力条件下保温保压15分钟，最后，3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压16分钟；3)进行降温降压，将温度降至300℃，保温2分钟后继续降温；4)降至常温常压后，对天然金刚石进行表面处理。

经检测，实施例5的天然金刚石处理前为深褐色，氮浓度：894ppm，金属杂质浓度：1094ppm；处理后为无色，氮浓度：37ppm，金属杂质浓度：59ppm，Raman peak为1331.75cm^-1。

实施例6

1)将天然金刚石埋入介质材料中，然后于550℃预热16分钟；介质材料的成分按质量百分比计为：V：3％，Ce：4％，余量为六方氮化硼；2)先升温至2300℃后温度维持不变，在升温过程中2秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压13分钟，随后，15秒将压力降至2GPa，在2GPa的压力条件下保温保压16分钟，最后，3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压13分钟；3)进行降温降压，将温度降至360℃，保温1分钟后继续降温；4)降至常温常压后，对天然金刚石进行表面处理。

经检测，实施例6的天然金刚石处理前为深褐色，氮浓度：901ppm，金属杂质浓度：1110ppm；处理后为无色，氮浓度：47ppm，金属杂质浓度：61ppm，Raman peak为1332.20cm^-1。

对比例1

1)将天然金刚石埋入介质材料中，然后于485℃预热8分钟；介质材料的成分按质量百分比计为：Ti：0.2％，Ce：0.5％，余量为六方氮化硼；2)先升温至1900℃后温度维持不变，在升温过程中3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压10分钟，随后，30秒将压力降至2GPa，在2GPa的压力条件下保温保压8分钟，最后，3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压12分钟；3)进行降温降压，将温度降至300℃，保温1分钟后继续降温；4)降至常温常压后，对天然金刚石进行表面处理。

经检测，对比例1的天然金刚石处理前为深褐色，氮浓度：891ppm，金属杂质浓度：1091ppm；处理后为褐色，氮浓度：94ppm，金属杂质浓度：101ppm，Raman peak为1333.21cm^-1。

对比例2

1)将天然金刚石埋入介质材料中，然后于600℃预热12分钟；介质材料的成分按质量百分比计为：Ti：2％，La：2％，余量为六方氮化硼；2)先升温至1800℃后温度维持不变，在升温过程中2秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压8分钟，随后，25秒将压力降至2GPa，在2GPa的压力条件下保温保压5分钟，最后，3秒加压至10GPa，在10GPa的压力条件下保温保压7分钟；3)进行降温降压，将温度降至410℃，保温1.5分钟后继续降温；4)降至常温常压后，对天然金刚石进行表面处理。

经检测，对比例2的天然金刚石处理前为深褐色，氮浓度：890ppm，金属杂质浓度：1098ppm；处理后为褐色，氮浓度：79ppm，金属杂质浓度：91ppm，Raman peak为1333.19cm^-1。

对比例3

1)将天然金刚石埋入介质材料中，然后于810℃预热20分钟；介质材料的成分按质量百分比计为：V：2.5％，Pr：2.5％，余量为六方氮化硼；2)升温至2200℃在10GPa的压力下进行保温保压30分钟；3)进行降温降压，将温度降至285℃，保温1分钟后继续降温；4)降至常温常压后，对天然金刚石进行表面处理。

经检测，对比例3的天然金刚石处理前为深褐色，氮浓度：896ppm，金属杂质浓度：1112ppm；处理后为褐色，氮浓度：88ppm，金属杂质浓度：94ppm，Raman peak为1333.56cm^-1。

实施例及对比例的工艺参数见下表1；

实施例及对比例的金刚石性能对比见下表2。