(57)【要約】ダイヤモンドイド含有材料に基づく新規な光デバイスを開示する。ダイヤモンドイドから作り出すことのできる材料には、ダイヤモンドイドが核となるＣＶＤ膜、ダイヤモンドイド含有ＣＶＤ膜、分子結晶、及び重合材料が包含される。本明細書に開示される、ダイヤモンドイド含有材料から作り出すことのできるデバイスには、固体色素レーザー、半導体レーザー、発光ダイオード、受光素子、フォトレジスタ、フォトトランジスタ、光電池、太陽電池、反射防止コーティング、レンズ、ミラー、圧力窓、光導波路、並びに粒子検知器及び放射線検知器が包含される。
2006509258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドイド含有材料を有している光デバイス。
【請求項２】
ダイヤモンドイド含有材料が、少なくとも１種の高級ダイヤモンドイドを含有している、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
少なくとも１種の高級ダイヤモンドイドが、誘導体化高級ダイヤモンドイドである、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項４】
ダイヤモンドイド含有レーザー媒質；該レーザー媒質にエネルギーを運ぶための光ポンピング装置；及び、該レーザー媒質から放出される光を処理するための光共振器；を備えている固体色素レーザー。
【請求項５】
レーザー媒質が、ダイヤモンドイド含有ホスト材料と、ホスト材料内部の少なくとも１つの色中心とを有している、請求項４に記載の固体色素レーザー。
【請求項６】
色中心が、少なくとも１つの空孔子点又は隙間に隣接して配置されているヘテロダイヤモンドイドの中に少なくとも１つの窒素ヘテロ原子を含有している、請求項５に記載の固体色素レーザー。
【請求項７】
ダイヤモンドイド含有ホスト材料が、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶、及び重合材料から成る群から選ばれている、請求項５に記載の固体色素レーザー。
【請求項８】
ホスト材料が、アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項５に記載の固体色素レーザー。
【請求項９】
ホスト材料が、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、及びウンデカマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項５に記載の固体色素レーザー。
【請求項１０】
レーザー媒質が、ダイヤモンドイド含有ホスト材料及び光学活性ドーパントを含有している、請求項４に記載の固体色素レーザー。
【請求項１１】
光学活性ドーパントが、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ウラン、及びそれらの混合物から成る群から選ばれている、請求項１０に記載の固体色素レーザー。
【請求項１２】
ダイヤモンドイド含有ホスト材料が、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶、及び重合材料から成る群から選ばれている、請求項１０に記載の固体色素レーザー。
【請求項１３】
ホスト材料が、アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項１０に記載の固体色素レーザー。
【請求項１４】
ホスト材料が、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、及びウンデカマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項１０に記載の固体色素レーザー。
【請求項１５】
発光を得るためのｐｎ接合を形成するために、ｎ型材料に隣接して配置されているダイヤモンドイド含有ｐ型材料を有する発光性ｐｎ接合を備えている半導体レーザー。
【請求項１６】
ｐｎ接合からレーザー光を放出するために、ｐｎ接合を横切って順方向バイアスを加えるための手段を更に備えている、請求項１５に記載の半導体レーザー。
【請求項１７】
発光を得るためのｐｎ接合を形成するために、ｐ型材料に隣接して配置されているダイヤモンドイド含有ｎ型材料を有する発光性ｐｎ接合を備えている半導体レーザー。
【請求項１８】
ｐｎ接合からレーザー光を放出するために、ｐｎ接合を横切って順方向バイアスを加えるための手段を更に備えている、請求項１７に記載の半導体レーザー。
【請求項１９】
ダイヤモンドイド含有ｐ型材料が、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶、及び重合材料から成る群から選ばれている、請求項１５に記載の半導体レーザー。
【請求項２０】
重合材料が導電性であるか、又は導電性高分子材料を含有している、請求項１９に記載の半導体レーザー。
【請求項２１】
ダイヤモンドイド含有ｎ型材料が、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶、及び重合材料から成る群から選ばれている、請求項１７に記載の半導体レーザー。
【請求項２２】
重合材料が導電性であるか、又は導電性高分子材料を含有している、請求項２１に記載の半導体レーザー。
【請求項２３】
ダイヤモンドイド含有ｐ型材料が、アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項１５に記載の半導体レーザー。
【請求項２４】
ダイヤモンドイド含有ｐ型材料が、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、及びウンデカマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項１５に記載の半導体レーザー。
【請求項２５】
ダイヤモンドイド含有ｎ型材料が、アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項１７に記載の半導体レーザー。
【請求項２６】
ダイヤモンドイド含有ｎ型材料が、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、及びウンデカマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項１７に記載の半導体レーザー。
【請求項２７】
発光ダイオードにおいて、バンドギャップを有するダイヤモンドイド含有材料と；電場を発生させて、光が前記ダイオードから放出されるような具合に少なくとも１つの電子遷移を生じさせる手段と；を備えている、発光ダイオード。
【請求項２８】
電子遷移が、バンドギャップを横切って生じる、請求項２７に記載の発光ダイオード。
【請求項２９】
バンドギャップ内の電子状態に関与することなく電子遷移が生じるような具合に、更に構成されている、請求項２８に記載の発光ダイオード。
【請求項３０】
ダイヤモンドイド含有材料のバンドギャップが、少なくとも３ｅＶである、請求項２８に記載の発光ダイオード。
【請求項３１】
ダイヤモンドイド含有材料のバンドギャップが、少なくとも４ｅＶである、請求項２８に記載の発光ダイオード。
【請求項３２】
ダイヤモンドイド含有材料のバンドギャップが、少なくとも５ｅＶである、請求項２８に記載の発光ダイオード。
【請求項３３】
放出される光の波長が、電磁スペクトルの紫外線領域にある、請求項２７に記載の発光ダイオード。
【請求項３４】
ダイヤモンドイド含有材料が、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶、及び重合材料から成る群から選ばれている、請求項２７に記載の発光ダイオード。
【請求項３５】
ダイヤモンドイド含有材料が、アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項２７に記載の発光ダイオード。
【請求項３６】
ダイヤモンドイド含有材料が、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、及びウンデカマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項２７に記載の発光ダイオード。
【請求項３７】
バンドギャップを有するダイヤモンドイド含有材料と；該材料による光の吸収に起因して生じる、少なくとも１つの電子遷移からの電流を処理する手段と；を備えている受光素子。
【請求項３８】
電子遷移が、バンドギャップを横切って生じる、請求項３７に記載の受光素子。
【請求項３９】
電子遷移が、バンドギャップ内の電子状態に関与することなく生じるような具合に、更に構成されている、請求項３８に記載の受光素子。
【請求項４０】
ダイヤモンドイド含有材料のバンドギャップが、少なくとも３ｅＶである、請求項３８に記載の受光素子。
【請求項４１】
ダイヤモンドイド含有材料のバンドギャップが、少なくとも４ｅＶである、請求項３８に記載の受光素子。
【請求項４２】
ダイヤモンドイド含有材料のバンドギャップが、少なくとも５ｅＶである、請求項３８に記載の受光素子。
【請求項４３】
検出される光の波長が、電磁スペクトルの紫外線領域にある、請求項３７に記載の受光素子。
【請求項４４】
ダイヤモンドイド含有材料が、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶、及び重合材料から成る群から選ばれている、請求項３７に記載の受光素子。
【請求項４５】
ダイヤモンドイド含有材料が、アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項３７に記載の受光素子。
【請求項４６】
ダイヤモンドイド含有材料が、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、及びウンデカマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項３７に記載の受光素子。
【請求項４７】
光デバイスが、フォトレジスタ、フォトトランジスタ、光電池、及び太陽電池から成る群から選ばれている、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項４８】
ダイヤモンドイド含有材料が、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶、及び重合材料から成る群から選ばれている、請求項４７に記載の光デバイス。
【請求項４９】
ダイヤモンドイド含有材料が、アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項４７に記載の光デバイス。
【請求項５０】
ダイヤモンドイド含有材料が、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、及びウンデカマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項４７に記載の光デバイス。
【請求項５１】
交互に重なっている少なくとも１対の高屈折率ダイヤモンドイド含有層と低屈折率層とを有している反射防止コーティング。
【請求項５２】
反射防止コーティングが、交互に重なっている少なくとも４対の高屈折率ダイヤモンドイド含有層と低屈折率層とを有している、請求項５１に記載の反射防止コーティング。
【請求項５３】
反射防止コーティングが、交互に重なっている少なくとも６対の高屈折率ダイヤモンドイド含有層と低屈折率層とを有している、請求項５１に記載の反射防止コーティング。
【請求項５４】
ダイヤモンドイド含有材料の屈折率が、少なくとも１．６である、請求項５４に記載の反射防止コーティング。
【請求項５５】
高屈折率ダイヤモンドイド含有層の屈折率が、少なくとも１．８である、請求項５４に記載の反射防止コーティング。
【請求項５６】
高屈折率ダイヤモンドイド含有層の屈折率が、少なくとも２．０である、請求項５４に記載の反射防止コーティング。
【請求項５７】
高屈折率ダイヤモンドイド含有層の屈折率が、少なくとも２．２である、請求項５４に記載の反射防止コーティング。
【請求項５８】
光デバイスが、レンズ、ミラー、圧力窓、及び光導波路から成る群から選ばれている、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項５９】
ダイヤモンドイド含有材料が、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶、及び重合材料から成る群から選ばれている、請求項５８に記載の光デバイス。
【請求項６０】
ダイヤモンドイド含有材料が、アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項５９に記載の光デバイス。
【請求項６１】
ダイヤモンドイド含有材料が、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、及びウンデカマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している、請求項６０に記載の光デバイス。
【請求項６２】
固体色素レーザーからレーザー光を発生させる方法において、
（ａ）ダイヤモンドイド含有ホスト材料と、該ホスト材料内の少なくとも１つの色中心とを有するレーザー媒質を与える工程；及び
（ｂ）レージングを引き起こすのに十分なエネルギー刺激を、前記レーザー媒質に与える工程
を包含する、上記方法。
【請求項６３】
固体色素レーザーからレーザー光を発生させる方法において、
（ａ）ダイヤモンドイド含有ホスト材料と、該ホスト材料内の少なくとも１つの光学活性ドーパントとを有するレーザー媒質を与える工程；及び
（ｂ）レージングを引き起こすのに十分なエネルギー刺激を、前記レーザー媒質に与える工程
を包含する、上記方法。
【請求項６４】
半導体レーザーからレーザー光を発生させる方法において、
（ａ）ｎ型材料に隣接してダイヤモンドイド含有ｐ型材料を配置して、ｐｎ接合を形成する工程；及び
（ｂ）レージングを引き起こすのに十分な順方向バイアスを、前記ｐｎ接合に加える工程
を包含する、上記方法。
【請求項６５】
半導体レーザーからレーザー光を発生させる方法において、
（ａ）ｐ型材料に隣接してダイヤモンドイド含有ｎ型材料を配置して、ｐｎ接合を形成する工程；及び
（ｂ）レージングを引き起こすのに十分な順方向バイアスを、前記ｐｎ接合に加える工程
を包含する、上記方法。
【請求項６６】
発光ダイオードから光を発生させる方法において、
（ａ）バンドギャップを有するダイヤモンドイド含有材料を与える工程；及び
（ｂ）ダイヤモンドイド含有材料を横切って電場を加え、該材料のバンドギャップを横切って電子遷移が生じるようにし、そうすることによって、レーザー光を発生させる工程
を包含する、上記方法。
【請求項６７】
電磁スペクトルの紫外線領域にある光を放出する工程を更に包含する、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
受光素子を用いて光を検出する方法において、
（ａ）バンドギャップを有するダイヤモンドイド含有材料を与える工程；及び
（ｂ）ダイヤモンドイド含有材料によって光が吸収され、該バンドギャップをを横切って電子遷移が生じるようにし、そうすることによって、レーザー光を発生させる工程
を包含する、上記方法。
【請求項６９】
電磁スペクトルの紫外線領域にある光を検出する工程を更に包含する、請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
表面から反射された光の量を減少させる方法において、
（ａ）交互に重なっている少なくとも１対の高屈折率ダイヤモンドイド含有層と低屈折率層とを有する反射防止コーティングを、前記表面に与える工程；及び
（ｂ）前記反射防止コーティングを光にさらす工程
を包含する、上記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（１．発明の分野）
本発明の諸態様は、概して、ダイヤモンドイド含有材料の光学的用途に向けられている。具体的に言えば、これらのデバイスには、固体色素レーザー、半導体レーザー、発光ダイオード、受光素子、フォトレジスタ、フォトトランジスタ、光電池、太陽電池、反射防止コーティング、レンズ、ミラー（ｍｉｒｒｏｒｓ）、圧力窓（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｗｉｎｄｏｗｓ）、光導波路、並びに粒子検知器、及び放射線検知器が包含されることがある。
【背景技術】
【０００２】
（２．技術の状態）
炭素含有材料は、光学及び光電子工学における種々の潜在的用途を与える。単体炭素は、電子構造１ｓ２２ｓ２２ｐ２（式中、外殻２ｓ及び２ｐ電子は、２つの異なるスキームに従って混成する能力を有している）を有する。いわゆるｓｐ３混成は、四面体型で配列されている４個の同一のσ結合を有している。いわゆるｓｐ２混成は、三角形型の（且つ平面の）３個のσ結合を有し、しかも、それらσ結合の平面と直角に配向している１個の結合の中に１個のπ軌道を占めている非混成ｐ電子を有している。結晶形態の「両極端」にあるものは、ダイヤモンド及び黒鉛である。ダイヤモンドの炭素原子は、ｓｐ３混成によって四面体型で結合している。黒鉛は、ｓｐ２混成の諸原子から成る平面「シート」であって、それらシートが、垂直に配向しているπ結合によって弱く相互作用している該シートを有している。炭素は、「ダイヤモンド様炭素」（ＤＬＣ）と呼ばれている非晶質形態；並びに、それぞれ「フラーレン」及び「ナノチューブ」と呼ばれている非常に対称的な球状構造及び棒状構造；を包含する他の諸形態ででも存在する。
【０００３】
ダイヤモンドは、特性に関する多くの異なる範疇において、最高の（或いは、見方によっては最低の）得点が与えられるので、ダイヤモンドは例外的な材料である。ダイヤモンドは、最も硬い既知材料であるだけでなく、室温におけるあらゆる材料の中で最大の熱伝導率を有している。ダイヤモンドは、赤外部から紫外部までの極めて美しい光透明性を示し；あらゆる透明材料の中で最大の屈折率を有しており；しかも、ダイヤモンドのバンドギャップが非常に広いので、優れた電気絶縁体である。ダイヤモンドはまた、大きい絶縁破壊強さと、非常に大きい電子移動度及び正孔移動度とを示す。
【０００４】
諸文献においてあまり検討されていない、炭素の１つの形態は、「ダイヤモンドイド（ｄｉａｍｏｎｄｏｉｄ）」である。ダイヤモンドイドは、アダマンタン；ジアマンタン；トリアマンタン；並びに、アダマンタン（トリシクロ［３．３．１．１３，７］デカン）の四量体、五量体、六量体、七量体、八量体、九量体、十量体、等；化学量論式Ｃ１０Ｈ１６を有するアダマンタンであって、その中の種々のアダマンタン単位が、表面溶融して（ｆａｃｅ−ｆｕｓｅｄ）より大きい構造を形成している該アダマンタン；を包含する橋かけ環シクロアルカンである。これらのアダマンタン単位は、本質的にダイヤモンドイドの副次的単位である。それら化合物は、「ダイヤモンドイド」位相（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）であって、その位相でそれらの炭素原子の配列を、ＦＣＣ（面心立方）ダイヤモンド格子の断片の上に重ね合わせることができる該位相を有している。本発明の態様によると、ダイヤモンド格子の中に、電子供与性ヘテロ原子及び電子求引性ヘテロ原子を挿入し、そうすることによって、（それぞれ）ｎ型材料及びｐ型材料を創り出すことができる。該ヘテロ原子は、本質的に、ダイヤモンド格子「の中に囲い入れ（ｆｏｌｄｅｄ  ｉｎｔｏ）」られていた不純物原子である。このように、従来技術の方法の不利な点の多くが回避されている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の概要）
本発明の態様は、ダイヤモンドイド含有材料を有する光デバイスに向けられている。
そのようなデバイスの１つは、ダイヤモンドイド含有レーザー媒質；該レーザー媒質にエネルギーを運ぶための光ポンピング装置；及び、該レーザー媒質から放出される光を処理するための光共振器；を備えている固体色素レーザーである。
該固体色素レーザーは、ダイヤモンドイド含有ホスト材料と；ホスト材料内における少なくとも１つの色中心若しくは光学活性ドーパント、又はそれら両方と；を有することのあるレーザー媒質を備えている。該色中心は、少なくとも１つの空孔子点（ｖａｃａｎｃｙ）又は隙間（ｐｏｒｅ）に隣接して配置されているヘテロダイヤモンドイドの中に少なくとも１つの窒素ヘテロ原子を含有している。該ドーパントは、希土類元素若しくは遷移金属、アクチニド、ランタニド、又はそれらの組み合せであることがある。ドーパントは、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ウラン、及びそれらの組み合せから成る群から選ばれていることがある。
【０００６】
本発明の態様には、ｎ型材料に隣接して配置されるダイヤモンドイド含有ｐ型材料であって、発光を得るためのｐｎ接合を形成する該ｐ型材料を有する発光ｐｎ接合を備えている半導体レーザー；又は、ｐ型材料に隣接して配置されるダイヤモンドイド含有ｎ型材料であって、発光を得るためのｐｎ接合を形成する該ｎ型材料を有する発光ｐｎ接合を備えている半導体レーザー；も包含される。半導体レーザーは、ｐｎ接合からレーザー光を放出するｐｎ接合を横切って順方向バイアスを加えるための手段を更に備えている。
本発明の態様には、発光ダイオードにおいて、バンドギャップを有するダイヤモンドイド含有材料と；電場を発生させて、光が前記ダイオードから放出されるような具合に少なくとも１つの電子遷移を生じさせる手段と；を備えている、上記発光ダイオードも包含される。該電子遷移は、バンドギャップを横切って生じることがある。該発光ダイオードは、バンドギャップ内の電子状態に関与することなく電子遷移が生じるような具合に、更に構成されていることがある。
【０００７】
本発明の態様には、バンドギャップを有するダイヤモンドイド含有材料と；該材料による光の吸収に起因して生じる、少なくとも１つの電子遷移からの電流を処理する手段と；を備えている受光素子も包含される。該電子遷移は、バンドギャップを横切って生じることがある。該受光素子は、バンドギャップ内の電子状態に関与することなく電子遷移が生じるような具合に、更に構成されていることがある。
更なる態様には、フォトレジスタ、フォトトランジスタ、光電池、及び太陽電池から成る群から選ばれるダイヤモンドイド含有光デバイスが包含される。更に、ダイヤモンドイド含有光デバイスとして意図されているのは、レンズ、ミラー、圧力窓（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｗｉｎｄｏｗｓ）、及び光導波路（ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）である。
【０００８】
本発明の態様による反射防止コーティングは、交互に重なっている少なくとも１対の高屈折率ダイヤモンドイド含有層と低屈折率層とを有している。
本明細書に開示される光デバイスはそれぞれ、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶、及び重合材料から成る群から選ばれているダイヤモンドイド含有材料から、少なくとも部分的に造られている。該材料は、アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している。もう１つの態様において、該材料は、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、及びウンデカマンタン、及びそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有している。
【０００９】
（発明の詳細な記述）
この開示は、以下の方法で構成する：先ず、用語「ダイヤモンドイド」及び「ヘテロダイヤモンドイド」を定義し、これらの材料を単離する方法について検討する。次いで、光学的用途を有すると考えられている諸ダイヤモンドイド含有材料について検討する。これらの材料には、化学蒸着（ＣＶＤ）で堆積したダイヤモンドイド含有材料；分子結晶；及び重合材料；が包含される。ダイヤモンドイド含有材料について検討した後、ダイヤモンドイド含有材料の光学的用途について再検討する。これらの用途には、（発光性でない素子を意味する）受動素子、それに対する（光を放出することのある）能動素子が包含される。受動素子にはまた、レンズ、圧力窓、光導波路、及び反射防止コーティングが包含されることがある。能動素子には、光電素子（例えば、フォトレジスタ、フォトダイオード、及びフォトトランジスタ）；発光ダイオード；並びに、結晶色素レーザー及び半導体レーザー（例えば、レーザーダイオード）を包含するレーザー；が包含される。
【００１０】
ダイヤモンドイドの定義
用語「ダイヤモンドイド」とは、アダマンタン、ジアマンタン、トリアマンタン、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、ウンデカマンタン、等であって、それらのあらゆる異性体及び立体異性体を包含するものを包含するアダマンタン系列の、置換及び非置換のケージド化合物（ｃａｇｅｄ  ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）をいう。それら化合物は、面心立方（ＦＣＣ）ダイヤモンド格子の断片の上に、それら化合物の炭素原子の配列を重ね合わせ得ることを意味する「ダイヤモンドイド」位相（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）を有している。置換ダイヤモンドイドは、１〜１０個（好ましくは１〜４個）の、独立して選ばれるアルキル置換基を有する。
アダマンタンの化学は、Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．第６４巻，ｐｐ．２７７〜３００（１９６４）の「アダマンタン：ダイヤモンドイド構造の結果（Ａｄａｍａｎｔａｎｅ：  Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｄｉａｍｏｎｄｏｉｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」の中でフォート・ジュニア（Ｆｏｒｔ，  Ｊｒ．）等によって概説されている。アダマンタンは、アダマンタン系列の中で最も小さい員（ｍｅｍｂｅｒ）であり、単一ケージ結晶サブユニット（ｓｉｎｇｌｅ  ｃａｇｅ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｕｂｕｎｉｔ）として教示されることがある。ジアマンタンは２種のサブユニット、トリアマンタンは３種のサブユニット、テトラマンタンは４種のサブユニットを含有している；以下同様。アダマンタン、ジアマンタン及びトリアマンタンについては唯１種の異性体しか存在しないが、テトラマンタンについては４種の異性体（その内の２種は、１対の鏡像異性体を示す）が存在する；即ち、アダマンタンの４種のサブユニットを配列する、考えられる４種の異なる方法が存在する。考えられる異性体の数は、ダイアモンドイド系列の、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン等の、各々の員がより大きくなるにつれて非直線的に増大する。
【００１１】
アダマンタンは、市販されているが、広範囲に渡って研究されてきた。それら研究は、熱力学的安定性；機能化（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ）；及び、アダマンタン含有材料の性質；のような多くの領域に向けられてきた。例えば、米国特許第３，４５７，３１８号明細書は、アルケニルアダマンタンからポリマーを調製することを教示し；米国特許第３，８３２，３３２号明細書は、アルキルアダマンタンジアミンからポリアミドポリマーを生成することを教示し；米国特許第５，０１７，７３４号明細書は、アダマンタン誘導体から耐熱性樹脂を生成することを検討しており；また、米国特許第６，２３５，８５１号明細書は、種々のアダマンタン誘導体の合成及び重合を記載する。
【００１２】
対照的に、テトラマンタン及びいっそう高級のダイヤモンドイドは、化学文献においてあまり注目をあびてこなかった。マッケルベイ（ＭｃＫｅｒｖａｙ）等は、テトラヘドロン（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ），第３６巻，ｐｐ．９７１〜９９２（１９８０）の「大ダイヤモンドイド炭化水素に対する合成的アプローチ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｔｏ  Ｌａｒｇｅ  Ｄｉａｍｏｎｄｏｉｄ  Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ）」の中に、手間を要する多段階製造方法を用いてアンチテトラマンタン（ａｎｔｉ−ｔｅｔｒａｍａｎｔａｎｅ）を低収率で合成することを記載している。本発明者等の知る限りでは、これは、今までに合成された唯一の高級ダイヤモンドイドである。リン（Ｌｉｎ）等は、質量分析による研究の観点から、深部油層にテトラマンタン、ペンタマンタン及びヘキサマンタンが存在することを示唆しているが、単離されてはいない。これは、フューエル（Ｆｕｅｌ），第７４巻（１０），ｐｐ．１５１２〜１５２１（１９９５）の「深部油層におけるテトラマンタン（Ｃ２２Ｈ２８）、ペンタマンタン（Ｃ２６Ｈ３２）、ヘキサマンタン（Ｃ３０Ｈ３６）の天然産出（Ｎａｔｕｒａｌ  Ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｔｅｔｒａｍａｎｔａｎｅ（Ｃ２２Ｈ２８），  Ｐｅｎｔａｍａｎｔａｎｅ（Ｃ２６Ｈ３２）  ａｎｄ  Ｈｅｘａｍａｎｔａｎｅ（Ｃ３０Ｈ３６）  ｉｎ  Ｄｅｅｐ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）」に記載されている。ダイヤモンドイド含有原料油を蒸留した後のポット材料（ｐｏｔ  ｍａｔｅｒｉａｌ）の中にテトラマンタン及びペンタマンタンが存在する可能性があることが、米国特許第５，４１４，４８９号明細書の中でチェン（Ｃｈｅｎ）等によって検討されている。
【００１３】
４種のテトラマンタンの構造は、イソテトラマンタン［１（２）３］、アンチテトラマンタン［１２１］、及びスキューテトラマンタン［１２３］の２種の鏡像異性体であり、［  ］内は、テトラヘドロン（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ），第３４巻，ｐｐ．３５９９〜３６０６（１９７８）の「ダイヤモンド炭化水素の体系的分類と用語−Ｉ（Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ  ｏｆ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ−Ｉ）」において、バラバン（Ｂａｌａｂａｎ）等によって確立された取り決めによるこれらダイヤモンドイドの用語である。４種のテトラマンタンは全て、式Ｃ２２Ｈ２８（分子量２９２）を有する。考えられる１０種のペンタマンタンが存在し、９種は分子式Ｃ２６Ｈ３２（分子量３４４）を有する。また、これら９種の中に一般的に［１２（１）３］、［１２３４］、［１２１３］によって表わされる３対の鏡像異性体が存在し、［１２（３）４］、［１（２，３）４］、［１２１２］によって表わされる９種の鏡像異性のペンタマンタンが存在する。また、分子式Ｃ２５Ｈ３０（分子量３３０）によって表わされるペンタマンタン［１２３１］も存在する。
ヘキサマンタンは、考えられる３９種の構造で存在し、２８種は分子式Ｃ３０Ｈ３６（分子量３９６）を有し、また、これらの内６種は対称である；１０種のヘキサマンタンは、分子式Ｃ２９Ｈ３４（分子量３８２）を有し、また、残りのヘキサマンタン［１２３１２］は、分子式Ｃ２６Ｈ３０（分子量３４２）を有する。
【００１４】
ヘプタマンタンは、考えられる１６０種の構造で存在するものと見なされている。８５種は、分子式Ｃ３４Ｈ４０（分子量４４８）を有し、これらの内７種はアキラルであり、鏡像異性体は全く有していない。残りのヘプタマンタンの内６７種は分子式Ｃ３３Ｈ３８（分子量４３４）を有し、６種は分子式Ｃ３２Ｈ３６（分子量４２０）を有する。残りの２種は分子式Ｃ３０Ｈ３４（分子量３９４）を有する。
オクタマンタンは、８個のアダマンタンサブユニットを有し、５種の異なる分子量で存在する。オクタマンタンの中の１８種は、分子式Ｃ３４Ｈ３８（分子量４４６）を有する。オクタマンタンはまた、分子式Ｃ３８Ｈ４４（分子量５００）；分子式Ｃ３７Ｈ４２（分子量４８６）；分子式Ｃ３６Ｈ４０（分子量４７２）；及び分子式Ｃ３３Ｈ３６（分子量４３２）を有する。
【００１５】
ノナマンタンは、次の諸分子式：分子式Ｃ４２Ｈ４８（分子量５５２）、Ｃ４１Ｈ４６（分子量５３８）、Ｃ４０Ｈ４４（分子量５２４）、Ｃ３８Ｈ４２（分子量４９８）、Ｃ３７Ｈ４０（分子量４８４）及びＣ３４Ｈ３６（分子量４４４）を有する、異なる分子量の６種の系の範囲内で存在する。
デカマンタンは、６種の異なる分子量の系の範囲内で存在する。デカマンタンの中に、他の諸デカマンタンと比べて構造的に密である、分子式Ｃ３５Ｈ３６（分子量４５６）を有する１種のデカマンタンが存在する。それら他のデカマンタン系は、分子式：Ｃ４６Ｈ５２（分子量６０４）；Ｃ４５Ｈ５０（分子量５９０）；Ｃ４４Ｈ４８（分子量５７６）；Ｃ４２Ｈ４６（分子量５５０）；Ｃ４１Ｈ４４（分子量５３６）；及びＣ３８Ｈ４０（分子量４９６）を有する。
【００１６】
ウンデカマンタンは、８種の異なる分子量の系の範囲内で存在する。ウンデカマンタンの中に、他の諸ウンデカマンタンと比べて構造的に密である、分子式Ｃ３９Ｈ４０（分子量５０８）を有する２種のウンデカマンタンが存在する。それら他のウンデカマンタン系は、分子式：Ｃ４１Ｈ４２（分子量５３４）；Ｃ４２Ｈ４４（分子量５４８）；Ｃ４５Ｈ４８（分子量５８８）；Ｃ４６Ｈ５０分子量６０２）；Ｃ４８Ｈ５２（分子量６２８）；Ｃ４９Ｈ５４（分子量６４２）；及びＣ５０Ｈ５６（分子量６５６）を有する。
本明細書で用いる用語「ヘテロダイヤモンドイド（ｈｅｔｅｒｏｄｉａｍｏｎｄｏｉｄ）」は、ダイヤモンド結晶構造の格子位置に、典型的には置換によって配置されているヘテロ原子を含有するダイヤモンドイドを指す。ヘテロ原子は、炭素以外の原子であり、本態様によると、窒素、リン、ホウ素、アルミニウム、リチウム、及びヒ素である場合がある。「置換によって配置されている（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌｌｙ  ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ）」は、ヘテロ原子がダイヤモンド格子中の炭素ホスト原子と置換されていることを意味する。大抵のヘテロ原子は置換によって配置されているが、場合によっては、それらヘテロ原子は、隙間位置に見出だされることもある。ダイヤモンドイドと同様、ヘテロダイヤモンドイドは、機能化されるか、又は誘導体化されることがある。本開示において、ｎ型ダイヤモンドイド又はｐ型ダイヤモンドイドは、典型的には、ｎ型ヘテロダイヤモンドイド又はｐ型ヘテロダイヤモンドイドを指すが、場合によっては、ｎ型材料又はｐ型材料は、ヘテロ原子を全く含有しないダイヤモンドイドを包含することがある。
図２は、概略形式で例示されるプロセスの流れであって、その中で、ダイヤモンドイドが石油供給原料から抽出されることのある該流れを示す。また、図３には、本発明の諸態様から得ることのできる、種々のダイヤモンドイド異性体を挙げる。
【００１７】
ヘテロダイヤモンドイドの合成
図４は、典型的なヘテロダイヤモンドイドを例示し、ヘテロ原子が置換によって配置されることのある諸炭素位置のタイプを示している。これらの位置は、図４の典型的ヘテロダイヤモンドイドにおいてＣ−２及びＣ−３と名付けられている。本明細書における用語「ダイヤモンドイド」は、一般的な意味で用い、ヘテロ原子置換ありのダイヤモンドイドと、ヘテロ原子置換なしのダイヤモンドイドの両方を包含する。上記に開示されるように、ヘテロ原子は、電子供与性元素（例えば、Ｎ、Ｐ若しくはＡｓ）又は正孔供与性元素（例えば、Ｂ若しくはＡｌ）である場合がある。
次に、そのようなヘテロダイヤモンドイドの実際の合成について検討する。従来、幾種類かのヘテロアダマンタン化合物及びヘテロジアマンタン化合物は、合成されており、このことによって、２個又は３個以上の融合したアダマンタンサブユニットを有するヘテロダイヤモンドイドを合成するための出発点が示唆されるかも知れないが、当業者は、アダマンタンのサブユニットの数が増大するにつれて、個々の反応及び全体の合成経路の複雑さが増大するということをよく理解するであろう。例えば、保護基を用いることが必要であるかも知れないし；或いは、諸反応物を可溶性にすることがより困難になるかも知れないし；或いは、反応条件が、アダマンタンに関する類似反応のために用いられてきた反応条件と著しく異なるかも知れない。それにもかかわらず、基体（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）としてアダマンタン又はジアマンタンを用いたヘテロダイヤモンドイドの合成の基礎にある化学を検討することは好都合であることがある。なぜなら、本発明者等の知る限りにおいて、これらは、本出願の前、データを入手することのできる唯一の系であるからである。
【００１８】
従来、窒素ヘテロアダマンタン化合物が合成された。例えば、ヘテロサイクルズ（Ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌｅｓ），第７巻，第１号，第３１５頁（１９７７）の、ササキ等による論文「アダマンタン誘導体３９の合成、２−アジドアダマンタンの合成と酸分解、４−アザホモアダマント−４−エンへの容易な経路（Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ａｄａｍａｎｔａｎｅ  ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ．  ３９．  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  ａｃｉｄｏｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ２−ａｚｉｄｏａｄａｍａｎｔａｎｅｓ．  Ａ  ｆａｃｉｌｅ  ｒｏｕｔｅ  ｔｏ  ４−ａｚａｈｏｍｏａｄａｍａｎｔ−４−ｅｎｅｓ）」。これらの著者は、１−ヒドロキシアダマンタンから１−アジドアダマンタン及び３−ヒドロキシ−４−アザホモアダマンタンを合成することを記載した。その方法は、カルボカチオンの生成を経由して、ヒドロキシル基をアジ化物官能基で置換し、次いで、アジ化物生成物を酸分解することから成る。
ササキ等は、関連する合成経路において、アダマンタノンにシュミット反応の条件を与え、再配列生成物（ｒｅａｒｒａｎｇｅｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ）として４−ケト−３−アザホモアダマンタンを生成することができた。シュミット反応に関する詳細については、Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．，第３５巻，第１２号，第４１０９頁（１９７０）のＴ．ササキ（Ｓａｓａｋｉ）等：「アダマンタン誘導体ＸＩＩの合成、アダマンタン−２−オンのシュミット反応（Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ａｄａｍａｎｔａｎｅ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ．  ＸＩＩ．  Ｔｈｅ  Ｓｃｈｍｉｄｔ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｄａｍａｎｔａｎｅ−２−ｏｎｅ）」を参照。
【００１９】
もう１つの方法として、テトラヘドロン・レターズ（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）第１７号，ｐｐ．１３６５〜１３６８（１９６９）の「１−置換２−ヘテロアダマンタン（１−Ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  ２−ｈｅｔｅｒｏａｄａｍａｎｔａｎｅｓ）」の中でＡ．ガニュー（Ｇａｇｎｅｕｘ）等によって報告されているように、１−ヒドロキシ−２−アザアダマンタンは、１，３−ジブロモアダマンタンから合成することができる。これは、多段階プロセスであり、その中で、先ずその１，３−ジブロモアダマンタン出発材料は加熱されてメチルケトンになり、次いで、オゾン化を受けてジケトンになる。該ジケトンは、ヒドロキシルアミン４当量と一緒に加熱されて、シス−ジオキシムとトランス−ジオキシムの１：１混合物が生成され；この混合物は、水素化されて化合物１−アミノ−２−アザアダマンタンジヒドロクロリドになる。最終的に、その１−アミノ−２−アザアダマンタンジヒドロクロリドは、亜硝酸によってヘテロ−アダマンタン１−ヒドロキシ−２−アザアダマンタンに転化される。
もう１つの方法として、Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．，第４６巻，第２４号，ｐｐ．４９５３〜４９５９（１９８１）の「β−ハロアミンにおける隣接基の影響、アンチ−４−置換２−アザアダマンチル系の合成と加溶媒分解反応性（Ｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇ  ｇｒｏｕｐ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  β−ｈａｌｏ  ａｍｉｎｅｓ．  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  ｓｏｌｖｏｌｙｔｉｃ  ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ａｎｔｉ−４−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  ２−ａｚａａｄａｍａｎｔｙｌ  ｓｙｓｔｅｍ）」の中で、Ｊ．Ｇ．ヘンケル（Ｈｅｎｋｅｌ）及びＷ．Ｃ．フェイス（Ｆａｉｔｈ）によって報告されているように、２−アザアダマンタン化合物は、ビシクロ［３．３．１］ノナン−３，７−ジオンから合成することができる。そのビシクロ［３．３．１］ノナン−３，７−ジオンは、（酢酸アンモニウム及び水素化シアノホウ素ナトリウムを用いれば、より大きい収率が得られたが）還元的アミノ化によって、中間体に転化することができる。この中間体は、塩化チオニルを用いてもう１つの中間体に転化することができる。この２番目の中間体を脱ハロゲン化して２−アザアダマンタンにすることは、ＤＭＥに入れたＬｉＡｌＨ４を用い、良好な収率で成し遂げられた。
【００２０】
本発明で用いた合成経路に原理的に関連する合成経路は、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｏｎ．，第１１４７頁（１９８４）の「エポキシ４−アザホモアダマンタンの光化学による環収縮による２−アザ−アダマンチル系への新規経路（Ａ  ｎｏｖｅｌ  ｒｏｕｔｅ  ｔｏ  ｔｈｅ  ２−ａｚａ−ａｄａｍａｎｔｙｌ  ｓｙｓｔｅｍ  ｖｉａ  ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｒｉｎｇ  ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｅｐｏｘｙ  ４−ａｚａｈｏｍｏａｄａｍａｎｔａｎｅｓ）」の中で、Ｓ．エグチ（Ｅｇｕｃｈｉ）等によって報告されている。このアプローチにおいて、２−ヒドロキシアダマンタンは、ＮａＮ３ベース試薬系と反応させてアザホモアダマンタンを生成し、次いで、ｍ−クロロ過安息香酸（ｍ−ＣＰＢＡ）によって酸化して、エポキシ４−アザホモアダマンタンが得られた。そのエポキシ４−アザホモアダマンタンは次いで、光化学による環収縮反応において照射され、Ｎ−アシル−２−アザ−アダマンタンを生成した。
窒素含有ヘテロイソ−テトラマンタンを合成するための典型的な反応経路は、図５Ａに例示する。図５Ａに描かれる経路の反応条件が、アダマンタンに対するテトラマンタンの大きさ、溶解性及び反応性が異なることに起因して、エグチ（Ｅｇｕｃｈｉ）の反応条件と実質的に異なっていることは、当業者に知られている。窒素含有ヘテロダイヤモンドイドを合成するために利用することのできる第２の経路は、図５Ｂに例示する。
【００２１】
本発明のもう１つの態様において、リン含有ヘテロダイヤモンドイドは、テトラヘドロン（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ），第３９巻，第２４号，ｐｐ．４２２５頁〜４２２８頁（１９８３）の「１−ホスファアダマンタンの合成（Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  １−ｐｈｏｓｐｈａａｄａｍａｎｔａｎｅ）」の中で、Ｊ．Ｊ．メーウヴィッセン（Ｍｅｅｕｗｉｓｓｅｎ）等によって概説されている経路を適合させることによって合成することができる。そのような経路は、ヘテロダイヤモンドイドであって、ダイヤモンドイド構造の中に置換によって配置されている窒素原子とリン原子の両方を含有する該ヘテロダイヤモンドイドを合成することができ；しかも、該ダイヤモンドイド構造中に２つの異なる型の電子供与性ヘテロ原子を有するという利点が与えられる；ということが意図されている。
不純物原子を全く含有していないダイヤモンドイドからヘテロダイヤモンドイドを調製した後、得られたヘテロダイヤモンドイドは、半導体デバイス中で用いるためのバルク材料（ｂｕｌｋ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ）に作り上げることができる。もう１つの方法として、それらヘテロダイヤモンドイドは、分子レベルで用いることができ、バルク材料は必要でないということが意図されている。これら材料の製法は、次に検討するが、これら材料はまた、Ｓ．リュー（Ｌｉｕ）、Ｊ．Ｅ．ダホ（Ｄａｈｏ）、及びＲ．Ｍ．カールソン（Ｃａｒｌｓｏｎ）による「ヘテロダイヤモンドイド（Ｈｅｔｅｒｏｄｉａｍｏｎｄｏｉｄｓ）」なる名称の同時係属出願であって、本出願の譲受人に譲渡されている該出願で検討されている。その出願明細書は、そっくりそのまま本明細書に組み入れる。
【００２２】
石油供給原料からのダイヤモンドイドの分離
回収可能な量の高級ダイヤモンドイドを含有する供給原料には、例えば、天然ガス濃縮物；及び、クラッキング、蒸留、コーキング法、等によって得られる精製流れ（ｒｅｆｉｎｅｒｙ  ｓｔｒｅａｍｓ）；が包含される。とりわけ好ましい供給原料は、メキシコ湾のノーフレット層（Ｎｏｒｐｈｌｅｔ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）、及びカナダのルデュック層（ＬｕＤｕｃ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）に由来する。
これらの供給原料は、多くの割合の（しばしば、約３分の２程度の）低級ダイヤモンドイドと、より少ない量であるがかなりの量の（しばしば、約０．３〜０．５重量％程度の）高級ダイヤモンドイドとを含有している。そのような供給原料を処理して、非ダイヤモンドイドを除去し（所望により）高級ダイヤモンドイド及び低級ダイヤモンドイドを分離することは、ほんの一例として、サイズ分離技術（例えば、膜、分子篩、等）；常圧下又は減圧下での蒸発分離及び熱分離；抽出装置；静電分離機；結晶化；クロマトグラフィー；ウェルヘッド分離機（ｗｅｌｌ  ｈｅａｄ  ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ）；等を用いて実施することができる。
【００２３】
好ましい分離方法には好ましくは、供給原料の蒸留が包含される。これによって、低沸点の非ダイヤモンドイド成分を除去することができる。この蒸留によって、低級及び高級のダイヤモンドイド成分であって、単離を行うために選定される１種若しくは複数種の高級ダイヤモンドイドの沸点よりも低い沸点を有する該成分の除去又は分離をも行うことができる。いずれの場合でも、それら低い留分は、低級ダイヤモンドイド及び低沸点の非ダイヤモンドイド物質に富んでいる。蒸留を行って、関心ある温度範囲の幾つかの留分を与え、確認された高級ダイヤモンドイドの初期分離を与えることができる。それら留分は、高級ダイヤモンドイド又は関心あるダイヤモンドイドに富んでいるが、保持されており、更に精製する必要がある場合がある。汚染物質を除去し、濃縮されたダイヤモンドイド画分を更に精製するための他の方法には、更に次の非制限的例：サイズ分離技術；常圧下又は減圧下での蒸発；昇華；結晶化；クロマトグラフィー；ウェルヘッド分離機；フラッシュ蒸留；固定床反応器及び流動床反応器；減圧；等が包含されることがある。
【００２４】
非ダイヤモンドイドを除去することには、蒸留の前又は蒸留の後の熱処理工程も包含されることがある。熱処理工程には、水素化精製（ｈｙｄｒｏｔｒｅａｔｉｎｇ）工程、水素化分解工程、水素化分解（ｈｙｄｒｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）工程、又は熱分解工程が包含されることがある。熱処理は、供給原料から炭化水素の非ダイヤモンドイド成分を除去するための有効な方法であり、それの１つの態様である熱分解は、真空条件下又は不活性雰囲気中、少なくとも約３９０℃まで（最も好ましくは、約４１０〜４５０℃の範囲の温度まで）、該供給原料を加熱することによって行われる。熱分解は、十分な時間の間且つ十分に高い温度で続け、熱分解を行なう前に該供給原料の中に存在していた非ダイヤモンドイド成分を少なくとも約１０重量％、熱的に分解する。非ダイヤモンドイド成分の、いっそう好ましくは少なくとも約５０重量％、更にいっそう好ましくは少なくとも９０重量％を、熱的に分解する。
【００２５】
熱分解は、１つの態様においては好ましいが、ダイヤモンドイドの回収、単離又は精製を容易にするのに、熱分解は必ずしも必要でない。他の分離方法は、直接精製方法（例えば、分取ガスクロマトグラフィー及び高速液体ガスクロマトグラフィーを包含するクロマトグラフィー；結晶化；分別昇華）を用いてダイヤモンドイドを単離することができるようなやり方で、ダイヤモンドイドの濃度が十分に高いある所定の供給原料となるようにすることができる。
蒸留、又は熱分解／蒸留を行った後でさえ、該材料の更なる精製を行うことは、本発明において使用する組成物の中で用いるのに選定されるダイヤモンドイドを与えるために望ましいことがある。そのような精製技術には、クロマトグラフィー、結晶化、熱拡散技術、帯域精製（ｚｏｎｅ  ｒｅｆｉｎｉｎｇ）、連続再結晶化（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）、サイズ分離、等が包含される。例えば、１つのプロセスにおいて、回収した供給原料には、次の更なる手順を適用する：（１）硝酸銀を含浸したシリカゲルを用いる、重力によるカラムクロマトグラフィー；（２）ダイヤモンドイドを単離するための、２カラム式（ｔｗｏ−ｃｏｌｕｍｎ）分取キャピラリーガスクロマトグラフィー；（３）高濃縮ダイヤモンドイドの結晶を与えるための結晶化。
【００２６】
代わりの方法は、高速液体ガスクロマトグラフィーを包含する単一カラム式又は複数カラム式の液体ガスクロマトグラフィーを用いて、関心あるダイヤモンドイドを単離することである。上記のように、異なる選択性を有する複数カラムを用いることができる。これらの方法を用いて更なる処理を行えば、実質的に純粋な成分を生じ得るいっそう精製された分離が可能となる。
供給原料を処理して高級ダイヤモンドイド組成物を得るためのの詳細な方法は、２００１年１月１９日出願の米国暫定特許出願第６０／２６２，８４２号；２００１年１月２１日出願の米国暫定特許出願第６０／３００，１４８号；及び２００１年７月２０日出願の米国暫定特許出願第６０／３０７，０６３号；及び、Ｂ．カールソン（Ｃａｒｌｓｏｎ）等による「高級ダイヤモンドイドの濃縮方法（Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  ｆｏｒ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ  ｈｉｇｈｅｒ  ｄｉａｍｏｎｄｏｉｄｓ）」なる名称の同時係属出願であって、本出願の譲受人に譲渡されたもの；の明細書に開示されている。これらの出願明細書は、言及することによってそっくりそのまま本明細書に組み入れる。
【００２７】
材料
本発明の態様で用いることのできる諸ダイヤモンドイド含有材料は、多くの異なる方法で作ることができる。作る方法には、ＣＶＤで堆積された、ダイヤモンドイド及びダイヤモンドイド含有材料；ＣＶＤで核が形成されたダイヤモンド材料；重合ダイヤモンドイド及び／又はダイヤモンドイド含有膜を包含する高分子材料；並びに、自己集合した分子結晶又は自己結晶化している分子結晶を包含する分子結晶；が包含される。
第１の態様において、（ヘテロ原子を含有しているか又は含有していない）ダイヤモンドイドが、拡張されたダイヤモンド構造に添加されて該ダイヤモンド構造の一部となり；しかも、もし存在する場合、該ヘテロ原子が、置換によってダイヤモンド格子の部位に配置される；ようなやり方で、該ダイヤモンドイドは、従来のＣＶＤ法を実施する反応器の中に注入する。そのようなヘテロ原子は、従来法で生成されたドープトダイヤモンドの中のドーパントのように挙動する。もう１つの態様において、ヘテロダイヤモンドイドは、重合反応を引き起こすことのできる官能基を用いて誘導体化（又は機能化）を行うことができ、１つの態様において、２つの隣接するヘテロダイヤモンドイドを連結する官能基は、電気的に半導性である。第３の態様において、ｎ型材料又はｐ型材料は、バルクヘテロダイヤモンドイド結晶の中にヘテロダイヤモンドイドのみを含有し、その場合、該結晶中の個々のヘテロダイヤモンドイドは、ファンデルワールス（ロンドン）力によって一緒に保持される。
本発明による、ダイヤモンドイド含有材料の光学的用途は、これらのタイプの材料に限定されず、ダイヤモンドイド形態の炭素を含有する、他のあらゆるタイプの膜を包含することがある。
【００２８】
ＣＶＤ技術を用いたダイヤモンドイド含有材料の調製
第１の態様において、ｎ型及び／又はｐ型のダイヤモンドイド材料を包含するダイヤモンドイド含有材料は、化学蒸着（ＣＶＤ）技術を用いる本発明の態様に従って作る。ダイヤモンドイドは炭素前駆体として用いることができ；また、ヘテロダイヤモンドイドは、従来のＣＶＤ技術を用いて、ダイヤモンド格子の中で既にｓｐ３混成されている自己含有（ｓｅｌｆ−ｃｏｎｔａｉｎｅｄ）ドーパント源として用いることができる。新規なアプローチにおいて、従来のＣＶＤ技術を用いて、それらダイヤモンドイド及びヘテロダイヤモンドイドは、ダイヤモンド膜の核となるように使用することができる。そのような従来技術には、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤ、プラズマエンハンスト（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ）ＣＶＤ又はプラズマアシスト（ｐｌａｓｍａ−ａｓｓｉｓｔｅｄ）ＣＶＤ、電子ビームＣＶＤ、等が包含される。
プラズマエンハンストＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）技術によってダイヤモンドを合成する従来の方法は、当該技術では周知であり、大体１９８０年代初期に始まった。これらの方法の詳細について検討する必要はないが、これらの方法が本発明に関係している場合、とりわけ検討すべき１つの点は、「従来の」プラズマＣＶＤ技術によるダイヤモンドの合成における、水素の果たす役割に関連する。
【００２９】
モダン・トリボロジー・ハンドブック（Ｍｏｄｅｒｎ  Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ），第２巻，Ｂ．ブーシャン（Ｂｈｕｓｈａｎ），編集［ＣＲＣ印刷，ボーカラトーン，２００１］，ｐｐ．８７１頁〜９０８頁の「ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素、及び関連膜の潤滑工学（Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｄｉａｍｏｎｄ，  Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ，  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｆｉｌｍｓ）」の中で、Ａ．エルデミア（Ｅｒｄｅｍｉｒ）等によって検討された、ダイヤモンド膜を合成する１つの方法では、Ｃ６０フラーレン、又はメタン、気体炭素前駆体を用いてナノ結晶ダイヤモンド膜を堆積させるのに、マイクロ波ＣＶＤ反応器が用いられている。該反応器の中にＣ６０フラーレン前駆体を導入するために、「石英蒸散器（ｑｕａｒｔｚ  ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｏｒ）」と称される装置が、該反応器に取付けられている。該反応器において、この装置は本質的に、フラーレンに富むすす（ｓｏｏｔ）を約５５０〜６００℃の間の温度に加熱して、Ｃ６０フラーレンを昇華し気相にする。
類似の装置を用いれば、ダイヤモンドイドをＣＶＤ反応器に導入することができるようなやり方で、それらダイヤモンドイドを昇華して気相にすることができるものと考えられる。典型的な反応器は、図６の６００に概略的に示される。反応器６００は、処理空間（ｐｒｏｃｅｓｓ  ｓｐａｃｅ）６０２を囲い込んでいる反応器壁６０１を備えている。ガス入口管６０３は、メタン、水素、及び任意的に不活性ガス（例えば、アルゴン）を含有するプロセスガスを、処理空間６０２の中に導くために用いる。ダイヤモンドイドを昇華させるか又は揮発させる装置６０４は、上記で検討した石英蒸散器に類似しているが、ダイヤモンドイド含有ガスを揮発させて反応器６００の中に注入するのに用いることができる。蒸発装置６０４は、キャリアガス［例えば、水素、窒素、アルゴン、又は不活性ガス（例えば、アルゴン以外の希ガス）］を導入するための手段を備えていることがあり；また、それは、他の炭素前駆体ガス（例えば、メタン、エタン、又はエチレン）を含有することもある。
【００３０】
反応器６００は、従来のＣＶＤ反応器と一致して、処理空間６０２からプロセスガスを除去するための排気出口６０５と；処理空間６０２の中にエネルギーのカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ；結び付け）を行うための（しかも、処理空間６０２の中に含まれているプロセスガスからプラズマを発生させるための）エネルギー源６０６と；分子水素を単原子水素に転化するためのフィラメント６０７と；サスセプタ６０８であってその上にダイヤモンドイド含有膜６０９が成長する該サスセプタ６０８と；ダイヤモンドイド含有膜６０９のｓｐ３混成の均一性を高めるためにサスセプタ６０８を回転させる手段６１０と；入口６０３を通過するガスの流れを調節し制御するための制御装置６１１と；源６０６から処理空間６０２の中にカップリングされたパワー（ｐｏｗｅｒ；エネルギー）の量と；処理空間６０２の中に注入されたダイヤモンドイドの量と；排気出口６０５を通って排出されるプロセスガスの量と；フィラメント６０７による水素の噴霧（ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ）と；サスセプタ６０８を回転させる手段６１０と；を有することがある。典型的な態様において、プラズマエネルギー源６０６は、パワーが処理空間６０２内のプロセスガスの中にカップリングされてプラズマ６１２を創り出すような誘導コイルを備えている。
【００３１】
ダイヤモンドイド及び／又はヘテロダイヤモンドイドの前駆体は、それらダイヤモンドイドを蒸発させるのに役立つ蒸発装置６０４を通過して、本発明の諸態様による反応器６００の中に注入されることがある。キャリアガス（例えば、メタン又はアルゴン）を用いて、該キャリアガスに連行される（ｅｎｔａｉｎｅｄ；運び去られる）ダイヤモンドイドが、処理空間６０２の中に移動するのを容易にすることができる。そのようにしてヘテロダイヤモンドイドを注入することによって、イオン注入のような結晶損傷技術を用いる必要もなく、不純物原子をダイヤモンド膜の中に挿入することのできる方法が提供される。
幾つかの態様においては、ＣＶＤにより創り出される膜の中に存在する大部分の炭素材料は、注入したメタンガスによって与えられ、入力ガス（ｉｎｐｕｔ  ｇａｓ）のダイヤモンドイド部分によって成長速度が促進されるものの；いっそう重要なことは、ヘテロダイヤモンドイドのヘテロ原子が、ｎ型及びｐ型のダイヤモンド若しくはダイヤモンドイドを含有する膜における電子供与体又は電子受容体としていつかは機能する不純物を与えるであろう；ということが予想されている。このプロセスは、図７Ａ〜図７Ｃに概略的に例示する。
【００３２】
図７Ａに関連し、基体（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ；基板）７００は、ＣＶＤ反応器６００内部に配置されており、従来のＣＶＤダイヤモンド膜７０１は、基体７００上に成長する。このダイヤモンド膜７０１は、四面体結合性（ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌｌｙ  ｂｏｎｄｅｄ）炭素原子であって、１つの炭素原子が図７Ａ〜図７Ｃにおける２本の線の交点（例えば、参照番号７０２によって描かれるもの）によって表わされており、水素終端表面が、参照番号７０３によって示されるように、直線の末端によって表わされている該四面体結合性炭素原子を含有している。ダイヤモンド膜７０１の、水素によって保護されている表面７０３は、非常に重要である。水素は、成長しているダイヤモンド表面のｓｐ３結合特性を安定化させることによって、ＰＥＣＶＤ技術によるダイヤモンドの合成に関与する。上記の引用文献に解説されているように、Ａ．エルデミア等は、水素もまた、初期核の大きさと；気相における炭素の溶解及び縮合可能な炭素ラジカルの生成と；成長しているダイヤモンド膜の表面に付着した炭化水素からの水素の分離と；ｓｐ３結合炭素前駆体が挿入されることがある空格子点（ｖａｃａｎｔ  ｓｉｔｅｓ）の生成と；を制御することを教示する。水素は、成長しているダイヤモンド膜の表面から大部分の二重結合炭素又はｓｐ２結合炭素をエッチングし（ｅｔｃｈｅｓ）、このようにして、黒鉛炭素及び／又は非晶質炭素の形成を妨げる。水素はまた、いっそう小さいダイヤモンド粒子をエッチングして除去し、核の形成を抑制する。結果的に、水素を十分に存在させてＣＶＤ成長を行ったダイヤモンド膜は、表面が高度にファセットされた（ｆａｃｅｔｅｄ）主として大きい粒子を有するダイヤモンドコーティングを生じることとなる。
【００３３】
再び図７Ａに関連し、ヘテロダイヤモンドイド７０４は、上述の蒸発装置６０４を経由してＣＶＤ反応器中のガス相に注入される。概略的に言えば、既に述べたように、ヘテロダイヤモンドイド７０４は、線の交点７０２に四面体結合性炭素原子を有しているだけではなく、線の端部７０３に水素により保護された表面をも有している。ヘテロダイヤモンドイド７０４はまた、それの格子構造内部に置換により配置されているヘテロ原子７０５をも有しており、該ヘテロ原子は電子供与体又は電子受容体である場合がある。
図７Ｂに示されるように、ヘテロダイヤモンドイド７０４は、堆積プロセスを行う間、ＣＶＤダイヤモンド膜７０１の上に堆積される。ヘテロダイヤモンドイド７０４の諸炭素原子は、膜７０１の諸炭素原子と四面体で配位結合して（諸炭素原子に四面体で結合して）、ヘテロダイヤモンドイド７０４とダイヤモンド膜７０１の、新たに創り出された界面の端から端まで、連続したダイヤモンド結晶構造を生成する。
【００３４】
結果として、図７Ｃに示すように、ダイヤモンド結晶構造内の格子サイト（ｌａｔｔｉｃｅ  ｓｉｔｅ）の位置に置換によって配置されている、（電子供与体又は電子受容体となり得る）不純物原子を有するダイヤモンド膜７０１が得られる。成長しているダイヤモンド膜の中にヘテロダイヤモンドイドが組み込まれてしまうので、それのヘテロ原子が、成長している該膜の中に組み込まれ、そして、該ヘテロ原子は、それのｓｐ３混成特性を、堆積プロセスを通して保持してしまう。本態様の利点には、結晶を損傷させる注入技術の助けを借りる必要もなく、ダイヤモンドの格子の中に不純物原子を挿入させることが包含される。
ＣＶＤによる膜（であって、その中のヘテロダイヤモンドイド基の重量が、ヘテロダイヤモンドイド部分の中に含まれている該膜）の全重量の関数としての、ヘテロダイヤモンドイド及び置換されたヘテロダイヤモンドイドの重量は、１つの態様において、約１ｐｐｍ〜１００重量％の範囲に及ぶことがある。或いは、ダイヤモンドイド及びヘテロダイヤモンドイド、及びそれらの誘導体の含有率は、約１ｐｐｍ〜９５重量％の範囲に及ぶことがある。もう１つの態様において、ヘテロダイヤモンドイド及び置換されたヘテロダイヤモンドイドの含有率は、約１０ｐｐｍ〜１重量％である。もう１つの態様において、該膜の全重量に対する、ＣＶＤ膜中のヘテロダイヤモンドイド及び置換されたヘテロダイヤモンドイドの割合は、約１００ｐｐｍ〜０．０１重量％である。
【００３５】
重合技術を用いたダイヤモンドイド含有材料の製法
代わりの態様において、ダイヤモンドイド含有膜又はダイヤモンドイド含有材料は、重合によって調製することができる。これを行うためには、重合を行なう前にダイヤモンドイドの誘導体化（又は機能化）を行う必要がある。ダイヤモンドイドの誘導体を生成する方法、及び誘導体化したダイヤモンドイドの重合を行なう技術は、２００１年１２月４日出願の、シェンガオ・リュー（Ｓｈｅｎｇｇａｏ  Ｌｉｕ）、ジェレミー（Ｊｅｒｅｍｙ）Ｅ．ダール（Ｄａｈｌ）、及びロバート（Ｒｏｂｅｒｔ）Ｍ．カールソン（Ｃａｒｌｓｏｎ）による、「重合可能な高級ダイヤモンドイド誘導体（Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｂｌｅ  Ｈｉｇｈｅｒ  Ｄｉａｍｏｎｄｏｉｄ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）」なる名称の米国特許出願シリアル番号第６０／３３４，９３９号に解説されている。この米国特許出願明細書は、言及することによってそっくりそのまま本明細書に組み入れる。
ダイヤモンドイド成分を含有する高分子膜を調製するために、高分子主鎖の一部分として、又は該主鎖の側基若しくは枝分かれとして、誘導体化されたダイヤモンドイド分子（即ち、元の水素の１個を置換する少なくとも１個の官能基を含有するダイヤモンドイド）を合成する。それの出願明細書に解説されているように、ヘテロダイヤモンドイドを誘導体化するのに用いることのできる２つの主要なシーケンス反応：即ち、求核（ＳＮ１型）反応及び求電子（ＳＥ２型）反応、が存在する。
【００３６】
ＳＮ１型反応には、ダイヤモンドイドのカルボカチオンの生成が包含される。これらカルボカチオンは後に種々の求核原子と反応する。ＳＮ１反応条件下、ダイヤモンドイドの第三級（橋頭）炭素は、第二級炭素に比べてかなりいっそう反応性が大きいので、第三級炭素での置換が有利である。
ＳＥ２型反応には、５配位カルボカチオン中間体を経るＣ−Ｈ結合の求電子置換が包含される。ヘテロダイヤモンドイドを機能化（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ）するのに用いることのできる２つの主反応経路のうちのＳＮ１型は、種々のヘテロダイヤモンドイド誘導体を生成するために、いっそう広範囲に渡って利用することができる。ヘテロダイヤモンドイドを機能化するための非常に用途の広い幾つかの中間体は、一臭化ヘテロダイヤモンドイド及び多臭化ヘテロダイヤモンドイドである。これら中間体は、例えば、コッホ・ハーフ（Ｋｏｃｈ−Ｈａａｆ）反応、リター（Ｒｉｔｔｅｒ）反応、並びにフリーデル・クラフツ（Ｆｒｉｅｄｅｌ−Ｃｒａｆｔｓ）アルキル化反応及びフリーデル・クラフツアリール化反応において用いられる。ヘテロダイヤモンドイドの直接的臭素化は、橋頭（第三級）炭素において有利であるが、臭素化された誘導体は、同様に第二級炭素において置換されていることがある。後者の場合について、合成が概して第二級炭素で望まれているとき、フリーラジカル（ｆｒｅｅ  ｒａｄｉｃａｌ）スキームがしばしば用いられる。
【００３７】
上述の諸反応経路は、本発明の幾つかの態様においては好ましいことがあるが、ヘテロダイヤモンドイドを機能化するのに、他の多くの経路も確実に用いることができる。これらのシーケンス反応は、それら誘導体が、臭素以外の元素（例えば、フッ素）でハロゲン化されているヘテロダイヤモンドイド；アルキル化ダイヤモンドイド；硝酸塩化ダイヤモンドイド；ヒドロキシル化ダイヤモンドイド；カルボキシル化ダイヤモンドイド；エテニル化ダイヤモンドイド；及びアミノ化ダイヤモンドイド；を包含することができるような方法で、種々の官能基を有する誘導体化ヘテロダイヤモンドイドを生成するのに用いることができる。ヘテロダイヤモンドイドに取付けることのできる典型的な置換基を挙げるためには、同時係属出願「重合可能な高級ダイヤモンドイド誘導体（Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｂｌｅ  Ｈｉｇｈｅｒ  Ｄｉａｍｏｎｄｏｉｄ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）」の表２を参照されたい。
ダイヤモンドイド及びヘテロダイヤモンドイドだけでなく、重合可能な諸反応を始めることのできる置換基を有しているそれらの誘導体化形態もまた、諸ポリマーが生成されるような適切な反応条件にさらすことができる。それらポリマーは、ホモポリマー又はヘテロポリマーである場合があり、そして、重合可能なダイヤモンドイド及び／又はヘテロダイヤモンドイドの誘導体は、非ダイヤモンドイド、ダイヤモンドイド及び／又はヘテロダイヤモンドイドを含有するモノマーと共重合することができる。重合は典型的には、次の方法：ラジカル重合、カチオン重合又はアニオン重合、及び重縮合、の１つを用いて実施する。ラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合及び重縮合の諸反応を引き起こすための手順は、当該技術では周知である。
【００３８】
ラジカル重合は、十分な量の熱、紫外線、又は高エネルギー放射線を吸収した後直ちに自発的に生じることがある。しかし、この重合プロセスは典型的には、少量のラジカル開始剤（例えば、過酸化物、アザ化合物、ルイス酸、及び有機金属試薬）によって高められる。ラジカル重合には、非誘導体化（ｎｏｎ−ｄｅｒｉｖａｔｉｚｅｄ）ヘテロダイヤモンドイドモノマー又は誘導体化ヘテロダイヤモンドイドモノマーを用いることができる。重合反応の結果として、ダイヤモンドイド又はヘテロダイヤモンドイドが、ポリマーの主鎖の一部分となるような具合に、ダイヤモンドイド、非ダイヤモンドイド及びヘテロダイヤモンドイドの間に二重結合が形成される。もう１つの態様において、ダイヤモンドイド又はヘテロダイヤモンドイドの上の置換基を包含する官能基は、ダイヤモンドイド又はヘテロダイヤモンドイドが側基として主鎖に結合することになるような具合に、重合する。１個以上の官能基を有するダイヤモンドイド及びヘテロダイヤモンドイドは、複数のポリマー鎖を一緒に橋かけ結合させることができる。
カチオン重合に関し、該反応を促進するために、カチオン触媒を用いることができる。適切な触媒はルイス酸触媒（例えば、三フッ化ホウ素、三塩化アルミニウム）である。これらの重合反応は通常、低温で溶解状態で行う。
【００３９】
アニオン重合において、誘導体化されたダイヤモンドイドモノマー又はヘテロダイヤモンドイドモノマーは典型的には、強力な求核剤にさらされる。そのような求核試薬は、クリニャール試薬又は他の有機金属化合物を包含するが、それらに限定されない。アニオン重合は、反応媒質から水及び酸素を除去することによって容易となる。
重縮合反応は、１つのダイヤモンドイド又はヘテロダイヤモンドイドの官能基が、もう１つの官能基と結合するときに生じる；例えば、１つのダイヤモンドイド又はヘテロダイヤモンドイドのアミン基は、もう１つのカルボン酸基と反応するとき、アミド結合を形成する。換言すれば、１つのダイヤモンドイド又はヘテロダイヤモンドイドは、第１の官能基が適切な求核試薬（例えば、アルコール基、アミン基、又はチオール基）であり、しかも、第２の官能基が適切な求電子試薬（例えば、カルボン酸基、又はエポキシド基）である場合、他のダイヤモンドイド又はヘテロダイヤモンドイドと縮合することができる。重縮合反応を経て生成することのできるヘテロダイヤモンドイド含有ポリマーの諸例には、ポリエステル、ポリアミド、及びポリエーテルが包含される。
【００４０】
図８Ａ〜図８Ｃに、典型的なダイヤモンドイド含有ポリマー膜を、概略的に例示する。図８Ａに関連し、ダイヤモンドイド含有ポリマーは、総体的に８００で示されている。ここに、該ポリマーは、炭素−炭素共有結合８０４によって結合しているダイヤモンドイドモノマー（８０１、８０２、８０３）を含有している。ダイヤモンドイドモノマー（８０１、８０２、８０３）は、テトラマンタンからウンデカマンタンまでの高級ダイヤモンドイド系列であれば如何なる員のものでも含有することができる。共有結合８０４は、２個の炭素原子の間の結合であって、その結合に関与する炭素原子の各々が隣接する２つのダイヤモンドイドの員である該結合を包含する。ダイヤモンドイド核の部分ではない（アダマンタン・サブユニットの部分でもない）、介在する炭素原子が全く存在しないような具合に、ポリマー鎖の中の２つのダイヤモンドイドは、直接に結合している。
或いは、隣接する２つのダイヤモンドイドは、該２つのダイヤモンドイドのいずれの（炭素核の部分の）員でもない炭素原子によって共有結合により結合されていることがある。そのような共有結合は、図８Ａの参照番号８０５で概略的に示される。上記で解説したように、隣接するダイヤモンドイドは、例えば、エステル結合８０６、アミド結合８０７及びエーテル結合８０８によって、共有結合されていることがある。
【００４１】
代わりの態様において、図８Ｂの８２０に概略的に示されるダイヤモンドイド含有ポリマーは、モノマーのエチレンと、少なくとも１個のエチレン置換基を有する高級ダイヤモンドイドとから生成された共重合体を含有している。８２１に示されるダイヤモンドイドモノマーは、１個のエチレン置換基を有している。８２２に示されるダイヤモンドイドモノマーなら、２個のエチレン置換基を有しており、２個より多い置換基を持ち得るかも知れない。これらダイヤモンドイドのいずれか一方又は両方は、それ自体、反応に加わっている第３のモノマーとしてエチレン８２３と共有結合して、共重合体８２０又はそれのサブユニットを形成することができる。ダイヤモンドイドモノマー８２２は、それに結合している２個の重合可能な置換基部分を有しているので、この特定のモノマーは、鎖８２４と鎖８２５とを一緒に架橋することができる。そのような架橋反応（ｃｒｏｓｓ−ｌｉｎｋｉｎｇ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）は、図８Ａに描かれるポリマーの特性とは異なる特性を有するポリマーを生成することができる。なぜなら、図８Ａのポリマーでは、ダイヤモンドイド核が主鎖の内部に位置しているからである。図８Ａ及び図８Ｂで形成される構造は、包み込まれ（ｆｏｌｄｅｄ）架橋されたポリマー鎖の隙間の中に（Ｍ１〜Ｍ３として例示される）金属元素、粒子及び包含物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）を挿入することによって、それら金属元素、粒子及び包含物を取り込むことを可能にする。アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、希土類元素、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａを用いたそのような方法で、ダイヤモンドイド含有材料にドーピングを行い、所望により、熱伝導率及び／又は光学特性を改善することができる。もちろん、図８Ｂの典型的ポリマーにおける、単官能ダイヤモンドイドモノマー、二官能ダイヤモンドイドモノマー、及びエチレンモノマーの相対比を調整して、剛性；緻密度（ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ）；及び、加工処理の容易性；に関する所望の特性を得ることができる。
【００４２】
概略的に図８Ｃの８３０に示される典型的なポリイミド−ダイヤモンドイドポリマーは、構造と特性の間の幾つかの関係を（とりわけ、典型的なポリマーの特性は、該ポリマーが受けた加工処理とどのような関係があるのかを）説明するために選ばれた代表的な群から誘導されるポリイミド鎖のセグメント（ｓｅｇｍｅｎｔｓ）を含有している。剛性を得るために、８３１で示される二無水物のＰＭＤＡ（ピロメリット酸二無水物）と、ジアミンのジアミノフルオレノン８３２とを鎖の中に導入する。８３３で示される二無水物のＢＴＤＡ（ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物）は、可能性として架橋を行う目的のため；及び／又は、該材料の中に金属部分を含有させる可能性を得るため；カルボキシル部位における更なる反応の可能性を与える。８３４で示される二無水物のオキシジフタル酸二無水物（ＯＤＰＡ）と、８３５で示されるジアミンのオキシジアニリン（ＯＤＡ）と、８３６で示されるビスアミノフェノキシベンゼンとは、鎖の可とう性と、該材料の加工処理の容易性を得るために導入することができる。加えて、例えば、６ＦＤＡのようなフッ素化二無水物（図示せず）を導入して、該材料の全体的誘電定数を低下させることができる。
【００４３】
図８Ｃに概略的に例示される典型的ポリマーのダイヤモンドイド成分は、該ポリマーの主鎖の中に配置されている、８６６のペンタマンタンダイヤモンドイドと；ジアミン（この典型的な事例では、ジアミノベンゾフェノン）成分の位置にダイヤモンドイド−ポリイミドポリマーの側基を有している、８３７のオクタマンタンダイヤモンドイドと；を含有している。ダイヤモンドイド成分８３８は、共有結合によって２つの隣接する鎖を接続するための架橋剤として用いることができる。或いは、ダイヤモンドイド成分８３８は、機能化されていない「詰め物（ｓｐａｃｅ  ｆｉｌｌｅｒ）」であって、単純に立体障害によってポリマー主鎖を引き離すのに役立つ該詰め物として、不活発な状態で存在することがある。とりわけ、ダイヤモンドイドの「詰め物」８３８が存在している場合、ポリマー主鎖が包み込まれることによって、該材料の全体的誘電定数を低下させるのに役立つことのある隙間（ｖｏｉｄｓ）８３９が形成されることがある。なぜなら、（空気が該隙間内の気体である場合には）空気の誘電定数が１であるからである。
上記で解説したダイヤモンドイド含有ポリマーは、当該技術分野において知られている方法［例えば、スピンコーティング（ｓｐｉｎ  ｃｏａｔｉｎｇ）、成形、押出（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）、及び気相堆積（ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）］であれば如何なる方法によってでも、マイクロ電子処理（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を受けている基体に施すことができる。ポリマーの全重量（であって、ダイヤモンドイドの官能基の重量が、ダイヤモンドイド部分の中に含まれる該全重量）の関数としての、ダイヤモンドイド及び置換ダイヤモンドイドの重量は、１つの態様において、約０．００１〜１００重量％の範囲に及ぶことがある。
【００４４】
本発明の１つの態様において、ヘテロダイヤモンドイドを重合を行うための合成技術は、二段階合成を包含する。第１の工程には、ヘテロダイヤモンドイドの第二級炭素（メチレン）の位置に少なくとも１個のケトン官能価を作り出す酸化が包含される。試薬（例えば、濃硫酸）を用いてヘテロダイヤモンドイドを直接酸化し、ケト−ヘテロダイヤモンドイドを生成することができる。他の状況において、炭化水素をアルコールに転化し、次いで、該アルコールを所望のケトンまで酸化することが望ましいことがある。或いは、ヘテロダイヤモンドイドを初期に（例えば、Ｎ−クロロスクシンイミドを用いて）ハロゲン化し、次いで、得られたハロゲン化ダイヤモンドイドを塩基（例えば、ジメチルスルホキシドの存在下のＫＨＣＯ３又はＮａＨＣＯ３）と反応させることができる。該酸化工程の前、ヘテロダイヤモンドイド中のヘテロ原子を保護する必要がある場合があることは、当業者に理解されるであろう。
【００４５】
第２の工程は、２個以上のケト−ヘテロダイヤモンドイドを結合させて、ヘテロダイヤモンドイドの所望のポリマーを生成する工程から成る。ケトン化学によってダイヤモンドイドを結合させることは、当該技術分野においては知られており、１つの方法は、米国特許第４，２２５，７３４号明細書にマクマリーカップリング法（ＭｃＭｕｒｒｙ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）として記述されている。或いは、結合こうていは、ＴｉＣｌ３、Ｎａ及び１，４−ジオキサンの存在下、ケト−ヘテロダイヤモンドイドを反応させることによって行うことができる。加えて、ダイヤモンドイド（アダマンタン）のポリマーは、カナダ特許第２１００６５４号明細書に例示されている。利用することのできる酸化及び結合反応の条件の数が多いので、形状的構成、位置的構成、及び立体配置が様々な種々のケト−ヘテロダイヤモンドイドを調製することができることを当業者は理解するであろう。
【００４６】
代わりの態様において、連続した酸化工程／結合工程を行って、ヘテロダイヤモンドイドポリマーの収率を最大限にすることが望ましい。例えば、所望のポリマーヘテロダイヤモンドイドが、介在している橋頭炭素を有している場合、３段階方法が有用であることがある。この方法は、選択的試薬（例えば、ＮＣＳ）と中間結合したポリマーヘテロダイヤモンドイドを塩素化する工程を包含する。これによって、該中間体の中に存在した１つ（又は複数）の二重結合に隣接するメチレン基の上に新たに導入された塩素で塩素化された誘導体が生成される。該クロロ誘導体は、塩素をヒドロキシル基によって置換し；次いで、試薬［例えば、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）に入れた重炭酸ナトリウム］によって更に酸化する；ことにより、所望のケトンに転化することができる。クロロクロム酸塩ピリジン（ｐｙｒｉｄｉｎｅ  ｃｈｌｏｒｏｃｈｒｏｍａｔｅ）（ＰＣＣ）で更に処理することを包含する更なる酸化処理を実施して、ケトンの収率を高めることができる。
【００４７】
図８Ｄに、諸ヘテロダイヤモンドイドモノマーの間の重合反応の概略的説明を例示する。ヘテロダイヤモンドイド８７０は、硫酸を用いて酸化し、ケト−ヘテロダイヤモンドイド８７１にする。８７１に示される特定のダイヤモンドイドはテトラマンタンであるが、上述の如何なるダイヤモンドイドも適用することができる。また、記号「Ｘ」は、ダイヤモンドイドの格子サイトに、置換によって配置されているヘテロ原子を表わす。この例におけるケトン基は、位置８７２に結合している。
工程８７２に示すように、マクマリー試薬（ＭｃＭｕｒｒｙ  ｒｅａｇｅｎｔ）を用いて、２個のヘテロダイヤモンドイド８７１を結合させることができる。本発明の態様によると、隣接する２つのヘテロダイヤモンドイドの間の結合は、各々のヘテロダイヤモンドイドの核構造のいずれか２個の炭素の間で行うことができる。そして、この典型的な状況において、その結合は、ダイヤモンドイド８７６の炭素８７３とヘテロダイヤモンドイド８７６の炭素８７４の間で行われた。この方法を持続させることができることは、当業者には明白であろう；例えば、８７７で概略的に示される一対のヘテロダイヤモンドイドは、それぞれ、ヘテロダイヤモンドイド（８７５及び８７６）の上のケトン基を用いて機能化し、中間体８７８を生成することができ、ここに、２つの中間体８７８は、結合させて、錯体８７９を形成することができる。このように、ｎ型又はｐ型の材料が作り上げられるようなやり方で、個々のヘテロダイヤモンドイド８７０を用いて、ポリマーを生成することができる。そのような材料は、隣接するヘテロダイヤモンドイドモノマーの間のｐｉ結合に起因し、電気伝導性になるものと期待される。
【００４８】
代わりの態様において、個々のヘテロダイヤモンドイド分子は、導電性ポリマー「リンカー（ｌｉｎｋｅｒｓ）」と結合させて、ｎ型又はｐ型のヘテロダイヤモンドイド材料を生成することができる。この文脈において、リンカーは、より大きいポリマーの１〜１０個のモノマーセグメントを含有するポリマーの短いセグメントとして定義される。本発明に係るリンカーは、電気伝導率が全バルク材料中の隣接するヘテロダイヤモンドイドの間に確立されるような具合に、導電性ポリマーを含有することがある。共役ｐｉ電子バックボーン（ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ  ｐｉ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂａｃｋｂｏｎｅｓ）を有するポリマーは、これらの電子特性を発揮することができる。導電性ポリマーは知られており、これら材料の技術は、「高性能ポリマーと複合材料（Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ），Ｊ．Ｉ．クロシュビッツ（Ｋｒｏｓｃｈｗｉｔｘ），編集（Ｗｉｌｅｙ，ニューヨーク，１９９１），ｐｐ．１７４〜２１９」の中のＪ．Ｅ．フロマー（Ｆｒｏｍｍｅｒ）及びＲ．Ｒ．チャンス（Ｃｈａｎｃｅ）による『導電性ポリマー（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ）』なる表題の章に記述されている。これらポリマーの多くの電気伝導率は、この章に記述されており、金属、半導体及び絶縁体と比較されている。典型的な半導体ポリマーは、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）であり、これは、１０３シーメンス／ｃｍ２（これらの単位は、Ω−１ｃｍ−１と同じである）もの大きい電気伝導率と、１０−１５もの小さい電気伝導率（ナイロンと同じ絶縁性である）とを有する。ポリアセチレンは、電気伝導性がいっそう大きく、１０３Ω−１ｃｍ−１の上限電気伝導度と約１０−９Ω−１ｃｍ−１の下限電気伝導度とを有する。
【００４９】
本発明の態様によると、諸ヘテロダイヤモンドイドを電気的に接続し、上記に解説したポリマーのオリゴマーを用いてｎ型又はｐ型のバルク材料を形成することができる。この場合、オリゴマーとは、約２〜２０のモノマーの重合体をいう。このように、オリゴマーは、短いポリマーと見なすことができる。この場合、オリゴマー及び／又はリンカーの目的は、ｎ型又はｐ型の電気伝導度を有するバルク材料が獲得されるようなやり方で、多くのヘテロダイヤモンドイドを電気的に接続して三次元構造にすることである。
導電性ポリマーは、「高性能ポリマーと複合材料（Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ），Ｊ．Ｉ．クロシュビッツ（Ｋｒｏｓｃｈｗｉｔｚ），編集（Ｗｉｌｅｙ，ニューヨーク，１９９１），ｐｐ．１７４〜２１９」の中のＪ．Ｅ．フロマー（Ｆｒｏｍｍｅｒ）及びＲ．Ｒ．チャンス（Ｃｈａｎｃｅ）による『導電性ポリマー（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ）』なる表題の章に総体的に解説されている。従来の導電性ポリマーを合成するためには、伸びたπ電子共役を有する部分を組み入れることが重要である。そのようなポリマーを合成するために典型的に用いられているモノマーは、芳香族化合物であるか；又は、最終のポリマーバックボーンの中に保持される複数の炭素−炭素二重結合を有する。或いは、共役は、初期のポリマー生成物を共役ポリマーに転化する後続の工程において達成することができる。例えば、アセチレンの重合によって、共役エチレン単位の生成物が生じるのに対し、ベンゼンの重合によって、共有結合した芳香族化合物単位の鎖が生成する。
【００５０】
図９Ａ〜図９Ｎに、ヘテロダイヤモンドイドを電気伝導的に結合するのに用いることのできる典型的なオリゴマー（リンカー）の項目一覧を例示する。電気伝導性であるように示されてきた典型的なリンカーは、図９Ａのポリアセチレン、図９Ｅのポリチオフェン、及び図９Ｆのポリ（パラフェニレンビニレン）である。次の解説する例として強調される電気伝導性リンカーはポリアニリンであり、それのオリゴマーを図９Ｎに描く。
ポリアニリン連結基を用いて生成したヘテロダイヤモンドイドポリマーの概略図を、図１０に描く。図１０のポリマーは、隣接する諸ヘテロダイヤモンドイドの間の電気伝導性リンカー基が、ポリアニリンの官能価であるという点でのみ典型的である。しかし、言うまでもなく、該連結基は、導電性ポリマーであってそれらの多くが導電性ジエン系を含有する該ポリマーであれば如何なるものでもよいであろう。図１０のヘテロダイヤモンドイド１００１は、ポリアニリンオリゴマー１００３のセグメントを介してヘテロダイヤモンドイド１００２に連結されている。同様のことは、同一直鎖内でのヘテロダイヤモンドイド１００５への結合１００４に適用される。
【００５１】
１０００で概略的に示されるポリマーもまた、直鎖１００６を１００７と連結する架橋を有している。このことによって、三次元方向で電気伝導率を有する三次元架橋ポリマーが創り出される。架橋鎖１００８を用いて、隣接する直鎖（１００６及び１００７）を連結することができる。このようにして、電気伝導性ダイヤモンドイドを含有する材料の三次元マトリックスが確立される。各々のヘテロダイヤモンドイド（１００１及び１００２）は、それの構造内に、電子供与体であるか又は電子受容体であるヘテロ原子を含有する。全体的に、ｎ型又はｐ型のヘテロダイヤモンドイド材料の製造が達成される。
【００５２】
分子結晶
ダイヤモンドイド含有材料を作り出す第３の方法は、固形物の中にダイヤモンドイドを結晶化させることである。ここに、固形物を含有する個々のダイヤモンドイドは、ファンデルワールス力［ロンドン力又は分散力（Ｌｏｎｄｏｎ  ｏｒ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｆｏｒｃｅｓ）とも呼ばれる］によって一緒に保持されている。そのような方法で一緒に保持されている分子は、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｐｐ．５５６〜５５９（１９９４年７月）の「分子ベース固形物の製造（Ｃｒａｆｔｉｎｇ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂａｓｅｄ  Ｓｏｌｉｄｓ）」の中でＪ．Ｓ．ムーア（Ｍｏｏｒｅ）及びＳ．リー（Ｌｅｅ）によって解説されている。これらの著者は、拡張された固形物又はイオン結晶とは対照的に、分子結晶における分子の好ましい配列は、恐らく、全自由エネルギーを最小限に抑えるものであり、従って、分子結晶の製造は、合成プロセスとは違って、熱力学的考察によって制御される。次に、ペンタマンタン［１（２，３）４］を含有する分子結晶の例を解説する。
【００５３】
典型的な態様において、［１（２，３）４］ペンタマンタンを含有する分子結晶を、上述のクロマトグラフィー技術及び結晶技術によって生成した。これら、ダイヤモンドイドの集合体（ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎｓ）は、格子（ｌａｔｔｉｃｅ）と共に基底（ｂａｓｉｓ）を定義することができるという意味で、実際の結晶を生成するように充填される（ｐａｃｋ；詰め込まれる）。この態様において、［１（２，３）４］ペンタマンタンは、単位格子がａ＝１１．４７０６Å、ｂ＝１２．６４１８Å、及びｃ＝１２．５１６９Åの空間群Ｐｎｍａを有する斜方晶系に充填されることが分かる。それの回折データを得るために、ペンタマンタン結晶を９０Ｋの温度に保持し、波長０．７１０７３Åの放射線を使用するＢｒｕｋｅｒ  ＳＭＡＲＴ  １０００回折計で、該結晶について試験を行った。
図１１に、ペンタマンタン分子結晶の単位格子を例示する。この図は、ヘテロダイヤモンドイドが、本発明の態様に従って有用となるために充填され得る一般的様態を例示する。これら分子結晶は、明確な結晶外面（ｅｘｔｅｒｉｏｒ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｆａｃｅｔｓ）を示しており、また、可視光に対して透明である。
【００５４】
図１１に関連し、同時に見ることのできる２つの画像（１１０２，１１０３）を有する立体図によって、［１（２，３）４］ペンタマンタンの充填（ｐａｃｋｉｎｇ）を三次元で例示する。該分子結晶の各々の単位格子は、４個のペンタマンタン分子を含有しており、ここに、それら分子は、１つの単位格子当り１個の中心空洞（ｃｅｎｔｒａｌ  ｃａｖｉｔｙ）又は中心孔１１０６が存在するような具合に配列している。本発明の（全部ではないが）多くの態様において、結晶の中にダイヤモンドイド分子又はヘテロダイヤモンドイド分子を充填することによって創り出される空洞が存在しており、充填されたペンタマンタンの単位が小さ過ぎて遷移元素金属を収容することができないことはあるものの、該材料の電気伝導率が増大するような具合に、結晶化が遷移元素（例えば、金）の周りに生じることがある。他のダイヤモンドイドの分子結晶の中には、孔が全く存在しないか又は１個より多い孔が存在することがあり、しかも、これら孔の孔径は変わることがある。
【００５５】
図１１に例示される［１（２，３）４］ペンタマンタンの充填の重要性は、クロマトグラフィー技術を用いた単離以外の、更なる加工処理をほとんど用いることなく、ｐ型又はｎ型のダイヤモンドイド材料；及び、それらから作り出される連結（ｊｕｎｃｔｉｏｎ；結合）；を実現することができることである。換言すれば、個々のダイヤモンドイド分子を重合させるか又は連結するのに、機能化（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ）は全く必要でなく、この態様において、高価な堆積装置は必要でない。これら結晶の多くは、機械的に軟質であり且つ容易に圧縮することができ、ファンデルワールス力によって一緒に保持されているので、外部「成形（ｍｏｌｄ）」は、デバイスの種々の領域を支持するものと考えられる［本質的に、例えば、レーザー媒質又は発光媒質は「半液体（ｓｅｍｉ−ｌｉｑｕｉｄ）」である場合さえあり得る］。
図１２に、分子結晶を生成することができると考えられている重合ダイヤモンドイド（及び／又はヘテロダイヤモンドイド）の典型的なサブユニットを例示する。図１２に関連し、窒素、ヘテロ原子を含有する個々のヘテロダイヤモンドイド（１２０１，１２０２）を結合させて、ダイヤモンドイドの二量体１２０５を形成することができる；同様に、個々のヘテロダイヤモンドイド（１２０３，１２０４）を結合させて、ダイヤモンドイドの二量体１２０６を形成することができる。２つの二量体（１２０５，１２０６）を結合させて、ダイヤモンドイドの四量体１２０７を形成することができる。四量体１２０７は、分子レベルでｎ型デバイス又はｐ型デバイスを含有することがある。例えば重合ダイヤモンドイド１２０７のような構造は、電気伝導性分子結晶を形成するように結晶化させることができると考えられる。
【００５６】
ダイヤモンドイドから作り出される光デバイス
本発明の態様によって作り出すことのできる光学材料は、２つの部類：（１）
レンズ、圧力窓、光導波路、及び反射防止コーティングを包含する受動素子；並びに（２）能動素子又は発光素子であって、レーザー及び発光ダイオード、及び他の光電素子（例えば、フォトレジスタ、受光素子、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光電池及び太陽電池）を包含する電気部品を備えていることがあるもの；の１つに属するものと考えられる。粒子検知器及び放射線検知器も考えられる。
【００５７】
ダイヤモンドイド含有材料によるレージング
本発明のダイヤモンドイド含有レーザー素子は、以下に概説される原理によって操作されるように考えられる。レージング（ｌａｓｉｎｇ；レーザーによる可干渉性光の発生）に関する放射線と物質の間の相互作用は、Ｉｎｓｉｇｈｔ  ｉｎｔｏ  Ｏｐｔｉｃｓ  （Ｗｉｌｅｙ，  ニューヨーク，１９９１），第１２章及び第２０章の中でＯ．Ｓ．ヘブンス（Ｈｅａｖｅｎｓ）等によって；また、Ｏｐｔｉｃｓ，  第２版（Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ，  Ｒｅａｄｉｎｇ，  ＭＡ，１９９０），ｐｐ．５７７〜５９３の中でＥ．ヘクト（Ｈｅｃｈｔ）によって；概説されている。原子の集合（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｔｏｍｓ）は、２つのエネルギー準位（Ｅ１及びＥ２）を有することがあり、低エネルギー状態Ｅ１における原子の数はｎ１であり、高エネルギー状態Ｅ２における原子の数はｎ２である。原子の集合は、周波数ωの放射線場に存在することがあり、幾つかの数の原子は、それらが準位Ｅ１からＥ２に励起されるようなやり方で、その場からエネルギーを吸収することがある。励起されたＥ１準位の原子は、エネルギー準位Ｅ２へ自発的に減衰して戻り、そうすることによって、Ｅ２とＥ１の間の差異に等しいエネルギーを有する光子（ｐｈｏｔｏｎ）をプロセス中に放出する；このプロセスは、減衰を引き起こすのに外部放射線場は全く必要でないという点で、自発的である。
【００５８】
対照的に、励起された原子は、放射線場と相互に作用し、誘導放出（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）として知られているプロセスにおいて、該励起原子を低状態まで減衰させる。１９１７年、アインシュタイン（Ｅｉｎｓｔｅｉｎ）は、誘導放出によって生成された光子は、（ａ）該光子は、励起原子を誘発して誘導放出させた電磁波と同じ相を有している；（ｂ）該光子は、誘導放出を引き起こしている電磁波と同じ分極（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有している；及び（ｃ）該光子は、誘導放出を引き起こしている電磁波と同じ方向に伝播する；という３つの明確な性質を有していると仮定した。
光増幅を行うための条件もまた、Ｏ．Ｓ．ヘブンス等（１９９１）及びＥ．ヘクト（１９９０）によって概説されている。１秒間当りの誘導放出の数が、１秒間当りの吸収の数を超える場合；換言すれば、ｎ２がｎ１より大きい場合、反転分布として知られている条件が達成される。この条件下、適切な周波数の入射光子は、誘導された光子のなだれ（ａｖａｌａｎｃｈｅ）を引き起こす；この場合、誘導された光子は全て、同一の相を有する。従って、放出光子からの光強度は、入射光波（ｉｎｃｉｄｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ  ｗａｖｅ）の強度を増大させ、それの光束密度を増大させる。ますます多く誘導された光子が、総合密度に加えられるにつれて、競争過程（ｃｏｍｐｅｔｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）（例えば、散乱）が存在しない限り；且つ、反転分布（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）条件が維持されている限り；放射光線波（ｅｍｉｔｔｅｄ  ｌｉｇｈｔ  ｗａｖｅ）は、造り続けられる。
【００５９】
反転分布の条件を維持するためには、エネルギーを該系に加えなければならない。この過程は、「ポンピング（ｐｕｍｐｉｎｇ）」として知られている。エネルギーポンプは、電気エネルギー、化学エネルギー又は光エネルギーの形態で存在することがある。電気エネルギーは、電子衝突の形態で該系に加えられ、また、「電子衝突励起」として知られている。代わりに、原子は、エネルギーが化学反応を経て励起状態まで高められる。媒質の原子は光学的に見て、放射線が吸収される結果として、強力に励起されることがある。
ドープト結晶系に基づくレーザーは、Ｏ．Ｓ．ヘブンス（１９９１）及びＥ．ヘクト（１９９０）によって概説されている。痕跡量の遷移元素、ランタニド及びアクチニドを含有している結晶は、幾つかのスペクトル領域における広い吸収バンドと、より長い波長における鋭い蛍光発光とを示す。１つの例は、ルビーパルスレーザーである。このレーザーは、活性媒質として、Ａｌ２Ｏ３中にＣｒ２Ｏ３を０．０５重量％含有する結晶棒を使用する。ルビーレーザーを組立てるためには、共振空洞を形成するために、結晶棒の両端面を研磨して平坦で平行な反射性形状にする。反転分布を維持するためのエネルギー入力を与えるために、この光ポンプにおいて、該棒は、らせん状の気体放電閃光電球によって取り囲まれている。該閃光電球（ｆｌａｓｈｔｕｂｅ）は、広帯域光ポンピングを与えて、Ｃｒ３＋イオンを吸収バンドまで励起する。励起したＣｒ３＋イオンは、それらイオンが数ミリ秒（室温で約３ミリ秒）の間は残存する一対の準安定状態まで非放射遷移（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）で迅速に平衡状態に戻る。
【００６０】
準安定状態は、非放射遷移が起こるのに必要な時間よりも長い寿命を有しているので、反転分布が維持されることがある。自発的に放出された幾らかの光子が連鎖反応を刺激する時、その過程は開始される。その後、準安定状態で励起された原子は、刺激されて基底状態まで減衰し、その結果、発生している光波へのエネルギーの同相付加（ｉｎ−ｐｈａｓｅ  ａｄｄｉｔｉｏｎ）が生じる。活性媒質の両端部は、平坦であり研磨されているので、増大している光波は、該活性媒質を前後横切って進むことができる、鏡の付いた両端部における損失に打ち勝つのに十分なエネルギーが与えられる。Ｏ．Ｓ．ヘブンス等（１９９１）及びＥ．ヘクト（１９９０）を参照されたい。
初期励起を可能にするのは、活性媒質又はレーザー媒質の広い吸収バンドの存在であり、準安定状態の長寿命によって、反転分布の条件が助長される。この種のレーザーの非常に重要な構成要素は、光共振空洞の精確な寸法合わせである。ルビーレーザーのようなデバイスは、３エネルギー準位（吸収バンド、準安定状態、及び基底状態）を該系に利用することができるため、「３準位レーザー（ｔｈｒｅｅ−ｌｅｖｅｌ  ｌａｓｅｒ）」として知られている。
【００６１】
対照的に、Ｈｅ−Ｎｅレーザーは、４エネルギー準位系である。なぜなら、低エネルギー準位（であって、そこまで刺激された光子が減衰する該準位）が基底状態ではないからである。４エネルギー準位系は、典型的にはパルスモード（ｐｕｌｓｅｄ  ｍｏｄｅ）で作動する３準位系とは対照的に、連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ）作動による利点を有する。
レーザー媒質の他の例は、ＣａＷＯ４、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＭｏＯ４、ＬａＦ３、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）及びガラスを包含する種々のホスト（ｈｏｓｔ）に入っている３価の希土類元素Ｎｄ＋３、Ｈｏ＋３、Ｇｄ＋３、Ｔｍ＋３、Ｅｒ＋３、Ｐｒ＋３及びＥｕ＋３である。
【００６２】
半導体レーザーにおいて必要な反転分布を達成させる方式は、Ｉｎｓｉｇｈｔ  ｉｎｔｏ  Ｏｐｔｉｃｓ  （Ｗｉｌｅｙ，ニューヨーク，  １９９１），２０．１０．５節，ｐｐ．２５２〜２５３においてＯ．Ｓ．ヘブンス等によって解説されているように、ドープト結晶系において用いられている方式と異なっている。半導体レーザーはｐｎ接合から成っており、それは、（バイアスとも呼ばれる）印加電圧の不存在下、光が全く放出されないことを実証する。しかし、順方向バイアスがｐｎ接合に加えられるとき、電子はｎ型材料からｐ型材料の中に流れて、該接合に隣接している材料の伝導帯を占有する。反転分布の条件は、価電子帯の状態を占有している正孔（ｈｏｌｅｓ）の濃度よりもいっそう高い濃度の、この接合材料の伝導帯の状態を占有している電子によって、半導体レーザーの中に確立される。
しかし、反転分布は、色素レーザーで発生しようと半導体レーザーで発生しようといずれにせよ、依然として同一の結果：即ち、電子が正孔と結合する結果としての自然発光を引き起こす。色素レーザーと半導体レーザーの間の１つの差異は、後者のタイプのデバイスでは外部ミラーが全く必要でないものの、半導体レーザーから放出される光は依然として共振空洞内部に保持される必要があることである。高屈折率を有する立方晶系結晶であるレーザー材料は典型的には、半導体レーザーに対して望まれている。Ｏ．Ｓ．ヘブンス等（１９９１）を参照されたい。
【００６３】
シリコンによるレージング
ＩＶ型半導体光デバイス（シリコンベース超小型電子回路において用られるシリコン光デバイス、又はダイヤモンドベース技術において用られる炭素ベース光デバイス）によって諸利点が与えられるようである。このアプローチに固有の問題は、ＩＶ型半導体から光放出を実現することが困難であることである。とは言え、ＩＶ型半導体によって造られたナノサイズ構造体（ｎａｎｏ−ｓｉｚｅｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）が、解決法を提供するようである。この節では、シリコンからの光放出に関する最近の成功を解説し、次いで、ダイヤモンドイド含有材料を用いて達成することができると考えられるレージングを開示する。
Ｌ．パベージ（Ｐａｖｅｓｉ）等，  Ｎａｔｕｒｅ，  第４０８巻，ｐｐ．４４０〜４４４（２０００年１１月２３日）による「シリコンナノ結晶の光利得（Ｏｐｔｉｃａｌ  ｇａｉｎ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）」なる表題の論文に、シリコン集積回路に光学部品（ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を加える困難性が解説されている。これは、シリコンが、間接バンドギャップ（ｉｎｄｉｒｅｃｔ−ｂａｎｄｇａｐ）の半導体であり、それ故に、光の非効率的エミッタであるからである。従って、シリコン超小型電子回路の中に光学活性素子（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ａｃｔｉｖｅ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）を集積することは、直接バンドギャップ（ｄｉｒｅｃｔ  ｂａｎｄｇａｐ）の化合物半導体を用いることによって、大規模に達成されている。光電素子における重要な構成要素は光源であり、最も望ましいタイプは、レーザーである。
【００６４】
レージングは、直接バンドギャップのＩＩＩ−Ｖ型半導体及びＩＩ−ＶＩ型半導体（例えば、それぞれ、ヒ化ガリウム及びリン化インジウム）において観察されている。しかし、本発明者等の知る限りでは、間接のＩＶ型半導体（例えば、シリコン）においては観察されていない。これは、後で光子が放出される直接バンドギャップの半導体における電子遷移が運動量（又は波数ベクトルｋ）空間における実質的に同じ位置で生じ、従って、該遷移は光子によって影響を受ける必要がないからである。対照的に、間接バンドギャップの半導体は、ｋ空間において変化が生じるため、光子によって影響を受けるべき遷移を必要とする。
これらの概念は、図１３Ａ〜図１３Ｂに例示する。図１３Ａに関連し、電子エネルギー１３０１のグラフが、運動量又は波数ベクトルｋ（１３０２）に対してプロットされている。伝導帯１３０３は、バンドギャップ１３０５によって価電子帯１３０４から分離されている。バンドギャップ１３０５は、伝導帯の最小値１３０６と価電子帯の最大値１３０７の間の電子エネルギーの差異を表わしている。価電子帯１３０４の頂部における電子状態から、伝導帯１３０３の底部における電子状態まで、電子を熱的に励起することができる。図における充満された状態は、陰影記号１３０８で表わされている。バンドギャップを横切って熱的に励起された電子であって伝導帯１３０３における状態を満たしている該電子が、価電子帯１３０４における正孔（ｈｏｌｅｓ）を置き去りにすることを、当業者は認識するであろう。そのような熱励起の１つは、正孔１３１０を創り出した（即ち、置き去りにした）電子１３０９によって示されている。
【００６５】
図１３Ａに表わされる直接バンドギャップの半導体は、価電子帯の最大値１３０７の上方の実質的に垂直な位置に存在している伝導帯の最小値１３０６を示している。換言すれば、それら状態（電子状態１３０９及び正孔状態１３１０）の各々は、運動量空間又はｋ空間の実質的に同じ位置１３１１に存在している。従って、電子１３０９が減衰し、光子１３１２を放出しながら正孔位置１３１０を満たすとき、その系の全運動量は実質的に全く変化しない。
この状況は、図１３Ｂの間接バンドギャップの半導体と対比すべきである。この場合、伝導帯１３２３の最小値１３２９は、価電子帯の最大値１３２４の上方の実質的に垂直な位置には存在していない。従って、電子遷移が生じるためには、ほぼ１３５０に等しい、系の運動量の変化が必要である。電子１３２９が減衰して正孔１３３０を満たすためには、該過程において、光子１３３２が放出されながら、ほぼ値１３５０に等しい運動量を有するフォノン（ｐｈｏｎｏｎ）（図示せず）が、該遷移に影響を及ぼす。フォノンは基本的には、系内で放熱を引き起こす。これは、間接バンドギャップの半導体（例えば、シリコン）が能率が比較的悪い光エミッタである理由である［Ｌ．  パベージ（Ｐａｖｅｓｉ）等（２０００）］。
【００６６】
レーザー源としての直接バンドギャップの材料（とりわけ、ＩＩＩ−Ｖ族半導体）は、能率的に作動する。なぜなら、電子及び正孔は直接に再結合し、その場合、フォノンは、再結合過程に影響を及ぼすのに全く必要でないからである；これは、いわゆるΔｋ＝０の遷移である（米国特許第６，１５１，３４７号）。ＩＩＩ−Ｖ型及びＩＩ−ＶＩ型は、直接バンドギャップの半導体レーザーであり、従って、フォノン影響（ｐｈｏｎｏｎ  ｍｅｄｉａｔｉｏｎ）を全く必要としない。しかし、直接バンドギャップの半導体は、シリコンベース・マイクロ電子デバイスの上に集積するのが困難である。必要とされるものは、シリコンレーザーである［Ｌ．キャンハム（Ｃａｎｈａｍ），２０００］。ＩＶ型材料は、正孔−電子の直接再結合によっては光を放出せず、そして、運動量を保持するのにフォノン影響過程（ｐｈｏｎｏｎ−ｍｅｄｉａｔｅｄ  ｐｒｏｃｅｓｓ；フォノンに影響される過程）を必要とする；たとえそうでも、フォノンに影響される遷移状態の寿命がいっそう長いため、放射放出（ｒａｄｉａｔｉｖｅ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の可能性はいっそう低くなる結果となる（米国特許第６，１５１，３４７号）。
シリコンを用いて光利得（ｏｐｔｉｃａｌ  ｇａｉｎ）を達成する試みが、Ｎａｔｕｒｅ，  第４０８巻，ｐｐ．４１１〜４２８（２０００年１１月２３日）の「シリコンから光を利得すること（Ｇａｉｎｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ  ｆｒｏｍ  ｓｉｌｉｃｏｎ）」なる表題の論文に解説されている。Ｌ．キャンハム（Ｃａｎｈａｍ）は、この論文において、バルクシリコンは、非常に非能率的な光エミッタであり、従って、レーザーと高速遠距離通信装置とを造るために、化合物半導体（例えば、ヒ化ガリウム、及びリン化インジウム）が用いられるという事実を解説している。しかし、これらの化合物半導体を、シリコン集積回路の中に集積することは困難である。
【００６７】
図１３Ｃに、放射効率を高めることのできる方法であって、間接バンドギャップの半導体によって誘導放出を達成するための原理を与える該方法を例示する。図１３Ｃに示されるエネルギー拡散の関係は、価電子帯の最大値１３４１と一線上に揃っていない、伝導帯の最小値１３４０を示している。そのような一線上に揃っていない極値をｋ空間に有する間接バンドギャップの半導体に関する記述は、無限格子（即ち、バルク材料）に関する暗黙の仮定を含むブロッホ理論（Ｂｌｏｃｈ  ｔｈｅｏｒｙ）から誘導される。電荷担体は、材料（例えば、以下に記述する、ナノ構造又は微構造を有する材料）の全体に渡って無作為に（ｒａｎｄｏｍｌｙ）拡散するそれら担体の能力が制限されている場合、ブロッホ処理法（Ｂｌｏｃｈ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）は当てはまらない。なぜなら、十分に小さいセル（ｃｅｌｌｓ）において電荷担体のトラッピング（ｔｒａｐｐｉｎｇ；捕獲）又は局在化（ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）が生じるからである。［Ｅ］対［ｋ］のエネルギー拡散の関係（担体の運動量（ｋ）の関数としての電子エネルギー又はバンドエネルギー）に関し、図１３Ｃにおいて伝導帯１３４２及び価電子帯１３４３を表わしている実線は、相当広がっている。広げられた伝導帯及び価電子帯はそれぞれ、参照番号１３４４及び１３４５で表わされている。従って、フォノンは、電子状態１３４６と正孔状態１３４７の間に生じることのある遷移に影響を及ぼす必要はなく、しかも、この間接バンドギャップの半導体における放射効率（ｒａｄｉａｔｉｖｅ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は高められる。
【００６８】
Ｌ．パベージによると、シリコンに光利得が観察されており、シリコンベースのレーザーダイオードは期待できない訳ではないかも知れない。フォノンが影響を及ぼすことなく電子遷移が生じ得るような具合に、上述のバンドの広がりを明らかにすることのできる多くの形態が存在するようである。これらの構造体には、多孔質シリコン、シリコンナノ結晶、シリコン／絶縁体の超格子、及びシリコンナノピラー（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏ−ｐｉｌｌａｒｓ）が包含される。
ナノ構造又は量子準位の物理的形態がバンドの広がりを引き起こす理由は、ナノメートル規模の結晶構造における励起子（励起子とは、結合した電子−正孔の対である）の量子閉じ込め（ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）にあるように思われる。これに対する証拠は、シリコンナノ結晶と酸化ケイ素との界面に関連する放射状態（ｒａｄｉａｔｉｖｅ  ｓｔａｔｅ）の露見である。シリコンナノ結晶は、約５００個のケイ素原子から成り、そのうちの約３５％は表面原子であった。更なるアプローチは、ケイ素−ゲルマニウム合金を、とりわけ、量子井戸構造に作り上げることであった（米国特許第６，１５１，３４７号）。
【００６９】
半導体ナノ結晶から（レーザーを含む）光デバイスを作り上げる、従来技術の試みの欠点には、該ナノ結晶の寸法の均一性、及びサイズ分布の均一性が欠けていることが包含される。１つの例において、このことは、とりわけ、ナノ結晶を作るのに用いられるエッチング技術の点から当てはまった［Ｌ．キャンハム（２００２）］。本発明のダイヤモンドイド含有材料の一部分であるダイヤモンドイドは、とりわけ、この問題を解決することに熟達している。なぜなら、ダイヤモンドイド、ヘテロダイヤモンドイド、及び誘導体化ダイヤモンドイドはそれぞれ、決定的な（ｄｅｆｉｎｉｔｉｖｅ；完成した）構造を有する特異分子であるからである。
次に、シリコンレーザーを開発する問題に戻ると、Ｌ．パベージ等は、材料の発光特性を改善するために、シリコン微構造を操作することのできる方法を教示する。前述したように、多数の異なる種類の構造が評価されており、それぞれ、共通してナノ構造形態；又は、量子準位の操作に役立つ構造；を有している。シリコンに関し、これらの構造には、多孔質シリコン、シリコンナノ結晶、シリコン／絶縁体の超格子、及びシリコンナノピラーが包含されていた。
【００７０】
Ｌ．パベージ等によると、これらのタイプのシリコン形態の各々において光ルミネセンスを増大させる物理原理は、本質的に、ナノメーター規模の結晶構造における励起子の量子閉じ込めの物理原理である。場合によっては、シリコン層／絶縁層（例えば、二酸化ケイ素）の界面は、放射状態を保護する役割、及び放射状態を形成する役割を果たすことがある。これらの著者は、そのような形態によって、光子的用途（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）におけるシリコンの将来的役割は約束されているものの、シリコンレーザーは見込みのないままであると述べている。
前に言及したように、シリコンレーザーを作り出すためには、誘導放出による光増幅過程が必要である。しかし、シリコンによって光増幅を達成することは困難である。なぜなら、シリコンは、効率的な自由キャリア吸収（ｆｒｅｅ  ｃａｒｒｉｅｒ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）であってレージングのために利用することのできる純利得（ｎｅｔ  ｇａｉｎ）を減少させる該自由キャリア吸収を有しており；しかも、該系内にかなりの光損失を引き起こす、放射エネルギーに対するかなりのサイズ依存性（ｓｉｚｅ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ）が、シリコンナノ構造の中に存在している；からである。
【００７１】
Ｌ．パベージ（Ｐａｖｅｓｉ）等は、ナノ構造化された材料；及び、量子準位で作動し得る材料；を用いることと調和しながら、シリコンナノ結晶における放射放出（ｒａｄｉａｔｉｖｅ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）が、シリコン／酸化物の界面と関連する放射状態によって起こることを証明することができた。観測された利得；及び、反転分布を達成し得た方法；を説明するために、３準位モデルが提案された。提案された準位のうち２つは、最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）、及び最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）であり、それぞれ、ナノ結晶の伝導帯の底部、及び価電子帯の頂部に対応した。このモデルの第３の準位は、８００ｎｍにおけるルミネセンスの原因であると思われる放射界面状態（ｒａｄｉａｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｓｔａｔｅ）によって創り出された。電子は、それらがいっそう高いエネルギー準位ＬＵＭＯを占めるような具合に、励起され；次いで、それら電子は、ＬＵＭＯとＨＯＭＯの間のエネルギーの中間に位置している界面状態まで、非常に迅速に平衡状態に戻った（ｒｅｌａｘｅｄ）。該界面状態を占める電子は、長い寿命を有している。ＬＵＭＯの減少速度（ｒａｔｅ  ｏｆ  ｄｅｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）は、界面状態によって影響を受けるキャリアリコメンデーション（ｃａｒｒｉｅｒ  ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ）によるそれの充満速度と比べて遥かに速いので、界面状態とＨＯＭＯの間の反転分布を達成することができた。
Ｌ．パベージ等の研究において、光利得を示すシリコンナノ結晶は、約５００個の原子を含有しているものと考えられ、それの約３５％は表面原子であった。従って、各々の表面シリコン原子は、酸化物層の酸素原子に結合しているとの想定で、シリコンナノ結晶１個当り約１５０の界面状態を利用することができた。
【００７２】
固体色素レーザー
波長可変レーザーは、レーザー光の周波数が調整可能なレーザーである。波長可変レーザーの１つのタイプは、色素レーザーとして知られている。なぜなら、それには、レーザー媒質として溶解している有機色素が用いられているからである。色素は、閃光灯（ｆｌａｓｈｌａｍｐ）又はもう１つのレーザーを用いて、光学的にポンピングされる。励起された色素分子による発光によって、レーザー作用が生じる。複数の色素溶液を用いることによって、紫外スペクトル、可視スペクトル及び赤外スペクトルを包含する広範囲の波長に渡り、色素レーザーを調整することができる。
【００７３】
しかし、固体状態でない色素レーザーは、それらの有用性；並びに、可搬性及び長寿命を必要とする適用性；を制限する幾つかの不利な点を有している。例えば、色素レーザー装置は、色素溶液の連続流れを供給するための手段を必要とする。このために、ポンプ、タンク、弁及び他の流体制御装置を包含する、相当な数量の高価で大きいハードウェアが必要である。色素レーザーのもう１つの必要条件は、色素溶液の温度を、室温に近い狭い範囲内に維持しなければならないことである。従って、色素溶液を冷却する必要がある。色素レーザーの、更にもう１つの制限的特徴は、周辺光、蛍光増白及び熱劣化にさらされた後に生じることのある光化学結合（ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）に起因して、色素を非常に頻繁に取り換えなければならないことである。色素はしばしば、日常的基準で取り換える必要がある。
【００７４】
窒素色中心に基づくダイヤモンドイド含有固体レーザー材料
固体レーザーの１つのタイプは、色中心レーザーである。このタイプのレーザーには、ホスト材料であって、その内部に、レーザー作用（ｌａｓｉｎｇ  ａｃｔｉｏｎ）を与える多くの色中心を有している該材料が用いられている。活性なレーザー物質として色中心を有している固体レーザーは、ランド（Ｒａｎｄ）等への米国特許第４，６３８，４８４号；サトウ（Ｓａｔｏｈ）等への米国特許第４，９４９，３４７号；ナカシマ（Ｎａｋａｓｈｉｍａ）等への米国特許第４，９５０，６５７号；カワラダ（Ｋａｗａｒａｄａ）等への米国特許第５，４２０，８７９号；ナカシマ等への米国特許第４，９５０，６２５号；明細書に解説されている。そのような色中心は典型的には、窒素不純物；及び、それらの、空格子点との組み合せ；を含有する欠陥に基づいている。
【００７５】
ダイヤモンド中の窒素凝集体（ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ）は、Ｍ．Ｈ．ナザレ（Ｎａｚａｒｅ）及びＡ．Ｊ．ネベス（Ｎｅｖｅｓ）編集（検閲，ロンドン，２００１）の「ダイヤモンドの特性、成長及び用途（Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，  Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｄｉａｍｏｎｄ）」，ｐｐ．１３０〜１３３の「ダイヤモンド中の窒素凝集体の理論（Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｉｎ  ｄｉａｍｏｎｄ）」においてＩ．キフラウィ（Ｋｉｆｌａｗｉ）等によって解説されている。これらの著者は、天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドの両方における主要不純物は窒素であることを教示する。そのことは、分散形態と凝集形態の両方において見出だされる。図１４Ａに、窒素凝集体の状態に基づく、種々のタイプのダイヤモンドの間の関係を示す流れ図を示す。実際の窒素凝集体のシーケンスにおいて、窒素は、ダイヤモンド格子部位における単一置換体（ｓｉｎｇｌｅ  ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）としてダイヤモンド格子の中に組み入れられている。窒素凝集体のシーケンスが続くとき、いっそう多くの空格子点と関連する、他の窒素含有中心が生じる。そのような中心には、Ｈ３中心、Ｎ３中心、及びＢ中心が包含される。現実には、窒素凝集体（及び、それらの、空格子点との組み合せ）は、地球の上部マントルの内部に広がっている温度で、地質時代に渡って生じている過程の結果として形成される。この見解は、高温でアニーリングされたダイヤモンドが同一の凝集体を示した実験室的実験によって支持されている。
【００７６】
窒素−空格子点の組み合せもまた、Ｍ．Ｈ．ナザレ及びＡ．Ｊ．ネベス編集（検閲，ロンドン，２００１）の「ダイヤモンドの特性、成長及び用途」，ｐｐ．１２７〜１２９の「ダイヤモンド中の窒素凝集体の理論」においてＲ．ジョーンズ  （Ｊｏｎｅｓ）等によって解説されている。この論文は、そのような色中心の構造を研究するための、光学遷移、局部振動モード及び振動共鳴（ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）のエネルギーと寿命とを包含する諸特性を概説した。図１４Ｂに、種々のタイプの凝集窒素、及び窒素空格子点複合体を例示する。単一窒素原子と単一空格子点の間の組み合せは、Ｈ２中心とも呼ばれるＶＮ１中心を表わしている。当業者は、窒素不純物原子が、空格子点の周りに四面体配位されている４個の炭素の１つと置換によって置き換わっていることを認識するであろう。Ｈ３中心とも呼ばれるＶＮ２中心では、単一空格子点が、それの周りに、２個の窒素原子であってダイヤモンド格子の諸サイト上に置換によって配置されている該窒素原子を四面体配位している。Ｎ３中心としても知られているＶＮ３中心は、単一空格子点の周りに四面体で配置されている３個の窒素原子から成る。ＶＮ４中心又はＢ中心では、単一空格子点を取り囲んでいる４個の四面体配置の全てが、窒素原子で占められている。
【００７７】
レーザー媒質として、Ｈ３色中心及びＮ３色中心を有するダイヤモンドを用いている固体レーザーは、米国特許第４，６３８，４８４号明細書においてランド（Ｒａｎｄ）等によって解説されている。ランドは、Ｈ３色中心及びＮ３色中心を含有するタイプＩの天然ダイヤモンドが、３００〜６００ｎｍの範囲で紫外線を放出する光源を備えている光ポンピング源によって励起された場合の、該ダイヤモンドによるレーザー作用の実例を開示した。高濃度のＮ３色中心は、明るい青色の蛍光を発し、一方、高濃度のＨ３色中心は、明るい緑色がかった黄色の蛍光を発した。レーザー活性材料として用いるのに適したダイヤモンドは、少なくとも０．１原子％の濃度で窒素置換されていた。Ｈ３色中心の利得係数は、０．０９ｃｍ−１と計算され、一方、Ｎ３色中心の利得係数は、約０．００９ｃｍ−１と評価された。
【００７８】
Ｈ２中心を有するレーザー媒質を備えたダイヤモンドレーザーは、米国特許第４，９４９，３４７号明細書においてサトウ（Ｓａｔｏｈ）等によって記述されている。レーザー作用は、６５０〜９５０ｎｍで作動する外部の光ポンピング源によって、１０００〜１４００ｎｍの範囲で行われた。レーザー媒質材料を与えるための１つの方法は、１×１０１７〜８．５×１０１９原子／ｃｍ３の範囲内の窒素濃度を有する合成のタイプＩｂダイヤモンドを適用する工程と、該窒素含有ダイヤモンドを、５×１０１７電子／ｃｍ２以上の電子ドーズ量（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｄｏｓｅ）で照射する工程と、続く、熱処理工程とを有した。該熱処理方法は、３．０ＧＰａ以上の超高圧、１５００℃以上の高温条件の下、任意的に実施した。ダイヤモンドレーザーは、外部ポンピング源として１つ以上の半導体レーザーを用いて活性化された。Ｈ２中心を用いたレーザー作用に関し、Ｈ２中心の光学密度（ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｎｓｉｔｙ）の最大値は、０．０１〜４の間に維持する必要があった。ここに、光学密度は、［入射光の強さ］対［透過光の強さ］の比の自然対数として定義されている。サトウ等のダイヤモンドレーザーのポンピング波長が、５００〜１０００ｎｍの間で変動したとき、レーザー作用は、１０００〜１４００ｎｍの範囲で観察された。
【００７９】
合成のタイプＩｂ（単一置換Ｎ）ダイヤモンドの中に多量のＨ３中心を有するダイヤモンドレーザー結晶を調製する方法は、米国特許第４，９５０，６２５号明細書においてナカシマ（Ｎａｋａｓｈｉｍａ）等によって開示されている。この方法は、先ず、（１１１）成長平面を少なくとも６０％含有する、合成のタイプＩｂを調製し；次いで、該タイプＩｂダイヤモンドがタイプＩａＡ（Ｎ原子の対；図１４Ａを参照されたい）に転化されるような具合に、高温／高圧条件下、その材料を熱処理することを包含した。タイプＩａＡダイヤモンドは、次いで、空格子点を生成するために、電子ビームにさらした。最終的に、アニーリング工程を行い、タイプＩａＡ窒素原子をそれら空格子点と結合させることによって、Ｈ３中心を形成した。ＶＮ１中心の数は少なく、そのことは望ましいことが分かった。なぜなら、これらＶＮ１中心は通常、レーザー作用の障害となるからである。
色中心を有するレーザー媒質を生成するこれらの方法は、扱い難く、実施するのに費用がかかることがあり；しかも、色中心のタイプ、個数及び分布を制御することが困難であることがある。必要とされるものは、一組の色中心の配列；並びに、それを作る方法であって、タイプ、個数、品質、均一性及び分布の制御を容易に達成することのできる該方法；である。
【００８０】
本発明の態様によると、レーザー媒質は、ダイヤモンドイド、窒素ヘテロ原子のダイヤモンドイド、誘導体化ダイヤモンドイド及び誘導体化ヘテロダイヤモンドイドを結晶化させて分子固体（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｓｏｌｉｄ）にすることによって、作り上げることができる。窒素−空格子点の組み合せが形成されるような具合に、孔及び／又は空格子点に隣接する固体の中に、窒素ヘテロ原子を配置することができ；しかも、窒素の個数と、色中心アセンブリー（ｃｏｌｏｒ  ｃｅｎｔｅｒ  ａｓｓｅｍｂｂｌｙ）における空格子点の個数とは、所望の特定の構造に従って設計することができる；ものと考えられる。このことによって、当然、放出される光の特性が決定される。本発明の１つの態様において、Ｈ３構造又はＮ３構造は類似している。図１５Ａ及び図１５Ｂに、そのようなレーザー媒質を描く。ここに、実質的にファンデルワールス力によって一緒に保持されている分子結晶は、図１５Ａに描かれており、また、共有結合によって結合されているダイヤモンドポリマーは、図１５Ｂに描かれている。
【００８１】
図１５Ａに関連し、窒素−空格子点の色中心を有する色素レーザーで用いるのに適したダイヤモンドイド含有材料は、１５０１に概略的に描かれている。個々のダイヤモンドイド（１５０２、１５０３及び１５０４）は、個々のヘテロダイヤモンドイド（１５０５、１５０６及び１５０７）と一緒に１箇所に集まって、その群の大体中心に隙間（ｐｏｒｅ）１５０８を形成している。ヘテロダイヤモンドイド（１５０５、１５０６及び１５０７）は、それらの窒素ヘテロ原子が、概して、隙間、即ち空格子点１５０８に隣接して配置されるような具合に、１箇所に集まるか；集合するか；さもなければ、組立てられて；Ｎ３色中心１５０９に類似する構造体を形成している。当業者は、隙間の大きさ；各々のヘテロダイヤモンドイド内で結合しているヘテロ原子の種類；ヘテロダイヤモンドイド内における各々のヘテロ原子の原子価構造；ダイヤモンドイド及びヘテロダイヤモンドイドの、相互に対する幾何学的な位置決め及び相対的配置；ダイヤモンドイドの充填密度；等の、考えられる多くの組み合せが可能であることを理解するであろう。従って、分子結晶１５０１内部の色中心１５０９の光学的性質を制御して、所望のレーザー光特性を達成することが可能である。
【００８２】
図１５Ｂに関連し、１５１０に概略的に示されるダイヤモンドイド含有材料は、ヘテロダイヤモンドイド（１５１１、１５１２及び１５１３）、並びにダイヤモンドイド１５１４を含有している。ヘテロダイヤモンドイド（１５１１、１５１２及び１５１３）は、窒素ヘテロ原子を含有した。これら４個のダイヤモンドイドは、図１２でポリマーについて説明した技術に従って、共有結合により結合されている構造体となって保持されることがある。ヘテロダイヤモンドイド（１５１１、１５１２及び１５１３）の窒素ヘテロ原子が、それぞれ、隙間、開口又は空格子点１５１５に隣接して配置されるような具合に、重合合成を実施する。窒素ヘテロ原子及び隙間１５１５は、共有結合によって結合されている構造体の（この例では）実質的に中心に位置する色中心１５１６を形成する。当業者は、共有結合の構造；ヘテロダイヤモンドイドの選定；共有結合におけるｓｐ２対ｓｐ３特性の程度；等の多くの組み合せが可能であることを理解するであろう。従って、重合材料１５１０内部の色中心１５１６の光学的性質を制御することが可能である。
【００８３】
図１５Ａ、図１５Ｂに関して解説したレーザー媒質を使用するように組立てることのできる典型的な固体色素レーザーを、図１６に示す。１６００に概略的に示される色素レーザーは、外部放射源１６０２によって光ポンピングされるレーザー媒質１６０１であって、アレイ（ａｒｒａｙ）の形態であることもある該レーザー媒質１６０１を備えている。外部ポンピング源１６０２は、レーザー媒質１６０１の色中心（図示せず）を励起する放射線１６０３を放射する。レーザー媒質１６０１からの誘導放出によって、可干渉性（ｃｏｈｅｒｅｎｔ；コヒーレントな）レーザー光１６０４が形成される。レーザー媒質１６０１は、光共振器１６０５と共に収納されている。レーザー媒質１６０１の両端部は、研磨されていて部分的に反射する面１６０６と、研磨されていて半透明の面１６０７とを有している。色素レーザー１６００によって放出されるレーザー光の波長は、グレイディング１６０８を調節することによって選定することができる。レーザー光１６０４は、測定器又は最終使用装置１６０９に衝突させるか、さもなければ、処理するか又は使用することができる。
【００８４】
これら分子結晶及び重合ダイヤモンドイドの利点は、窒素−空格子点を含有する色中心が、ボトムアップで（ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  ｂｏｔｔｏｍ  ｕｐ）構成されていることである；「ボトムアップで（ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  ｂｏｔｔｏｍ  ｕｐ）」とは、窒素ヘテロ原子と、色中心を含有する空格子点とが、結晶化であろうと重合であろうといずれにせよ、組立て技術の詳細によって適所に配置されていることを意味する。このことは、従来技術の方法の不利な技術であって、それら技術では、窒素原子が結晶中に既に存在していて、それら窒素原子の密度も分布もあまり制御されないか；又は、窒素原子が、格子を損傷させる注入技術によって挿入される該不利な技術と対照的であるかも知れない。イオンビームにさらすことによって空格子点を挿入することもまた、本態様の、合成及び組み立ての技術に比べて、結晶に損傷を与える傾向が強い。
【００８５】
本態様には、ダイヤモンドイド含有レーザー媒質と、該レーザー媒質にエネルギーを送り出すための光ポンピングと、該レーザー媒質から放出される光を処理するための光共振器とを備えていることがある固体色素レーザーが包含される。該レーザー媒質は、ダイヤモンドイド含有ホスト材料と、該ホスト材料内部における少なくとも１つの色中心とを含有することがある。色中心は、ヘテロダイヤモンドイド内における少なくとも１個の窒素ヘテロ原子であって、該ヘテロダイヤモンドイドが少なくとも１個の空格子点又は隙間に隣接して配置されていることのある該窒素ヘテロ原子を含有することがある。
固体色素レーザーは、ＣＶＤ堆積膜、分子結晶及び重合材料から成る群から選ばれるダイヤモンドイド含有ホスト材料を含有することがある。該ホスト材料は、アダマンタン、ジアマンタン、トリアマンタン及びテトラマンタン、並びにそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有することがある。それはまた、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン及びウンデカマンタン、並びにそれらのヘテロダイヤモンドイド誘導体から成る群から選ばれる少なくとも１種のダイヤモンドイドを含有することがある。
【００８６】
ドープト結晶ダイヤモンドイド含有レーザー媒質
固体色素レーザーもまた、本発明の態様に従って、レーザーとして使えることが分かっている光学活性ドーパントを、固体マトリックスの中に組み入れることにより作り出すことができる。
ダイヤモンドイド含有材料内部でレーザーとして使える光学活性ドーパントを含有している該ダイヤモンドイド含有材料を、レーザー媒質として有している固体レーザーを提供することは、本発明において意図されている。そのようなデバイスは、本明細のダイヤモンドイド含有材料が、米国特許第５，５０４，７６７号のダイヤモンドよりも優れている前述の諸利点を提供すること以外は、米国特許第５，５０４，７６７号明細書に開示されているものと類似する。
【００８７】
該ドーパントは、希土類元素、遷移元素、アクチニド、又はランタニドである場合がある。該ドーパントは、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びウランから成る群から選ばれることもある。該レーザー媒質は、上記に解説したダイヤモンドイド含有材料の中にドーパントが含有されるように形成され、しかも、該ダイヤモンドイド含有材料には、重合材料、セラミックス、ＣＶＤによる有核材料（ＣＶＤ−ｎｕｃｌｅａｔｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ）、分子結晶、及びそれらの組み合せが包含されることがある。
ダイヤモンドレーザーの構成要素は、米国特許第５，５０４，７６７号明細書において、ジャミソン（Ｊａｍｉｓｏｎ）等によって解説されている。ジャミソン等によると、レーザーは、３つの構成要素；（１）レーザー光を発生するレーザー媒質と、（２）該レーザー媒質を励起して光を放出するのに必要な形態で、該レーザー媒質にエネルギーを送り出す電源装置と、（３）レーザー放射線の放出を刺激する光を焦点に集める光共振器又は光学的共振器と、を包含している。
【００８８】
固体レーザーの１つのタイプにおいて、レーザー媒質は、レーザー光を放出する化学種（ｓｐｅｃｉｅｓ）でドーピングされている結晶質固体ホストを含有している。活性な化学種は、外部源からの光によって、レーザーとして使えるように励起されるか、又はポンピングされる。固体レーザーの媒質におけるホストとして、種々の結晶及びガラスが使用されている。ホストの主な必要条件は、透明性、加工容易性、及び優れた伝熱特性である。
更に、米国特許第５，５０４，７６７号明細書においてジャミソン等は、ダイヤモンドが、レーザーイオンを得るための潜在的ホストとして発揮して固体レーザーを形成するという利点を解説している。これらの利点は、ダイヤモンドの非常に大きい熱伝導率と大きいバンドギャップとに起因している。ダイヤモンドは、他の如何なる材料と比べても、高出力光学系における熱衝撃に対して約２００倍以上の抵抗力があり、従って、非常に大きい出力密度の固体レーザーを作り出すための基礎（ｂａｓｉｓ）を与えることができる。更に、ダイヤモンドイド含有ホスト材料の温度が作動中に増大するとき、該ホスト材料の屈折率の変化によって引き起こされる熱レンズ化（ｔｈｅｒｍａｌ  ｌｅｎｓｉｎｇ）は、ダイヤモンドの高熱伝導率によって最小限に抑えられる。このことによって、ダイヤモンドイドベース・レーザーは、従来の固体レーザーに比べて、いっそう大きい出力密度で作動するのを可能にするものと考えられる。
【００８９】
ダイヤモンドイドベース・レーザーが提供するもう１つの利点は、ダイヤモンドイド含有材料が有していると考えられている非常に広い範囲のバンドギャップに由来する。ダイヤモンドイドベース材料は、さもなければ固体レーザーの伝統的ホスト材料によって発生していた思われるエネルギー光子よりもいっそう大きいエネルギー光子が該結晶を通って通過するような具合に、約３ｅＶより大きい（幾つかの態様では約４ｅＶより大きく、更に他の態様では約５ｅＶより大きい）バンドギャップを有していると考えられている
【００９０】
本態様によると、窒素−空格子点色中心を得るために用いたものに類似する自己集合（ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）技術、結晶化技術及び重合技術によって、光学活性なドーパントをダイヤモンドイド含有材料の中に挿入する。固体レーザーで用いるのに適した、典型的な自己集合材料又は結晶材料を、図１７Ａの１７００に概略的に示す。ダイヤモンドイド（１７０２〜１７０７）は、通常、光学活性なドーパント１７０８の周りに配置していることがある。光学活性なドーパント１７０８には、希土類元素、遷移元素、アクチニド、又はランタニド、又はそれらの混合物が包含されることがある。光学活性なドーパントは、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びウランから成る群から選ばれることがある。光学活性なドーパント１７０８を取り囲んでおり；且つ、該ドーパントが位置するポケット（ｐｏｃｋｅｔ）を有している；ダイヤモンドイドの幾つかは、ドーパント原子と接触した状態でそれに近接して配置されているか；又は更に、何らかの方法で［例えば、共有結合若しくはイオン結合によって、又はロンドン力（Ｌｏｎｄｏｎ  ｆｏｒｃｅｓ）によって］ドーパント原子に結合している；ことがある。図１７Ａにおける典型的なダイヤモンドイドには、１７０３、１７０５及び１７０７が包含される。ポケットを有する他のダイヤモンドイドは、ドーパント原子から更に離れて配置されていることがある；そのようなダイヤモンドイドには、１７０２、１７０４及び１７０６が包含される。これらの、いっそう隔たっているダイヤモンドイドは、ドーパントに力を及ぼすこともあり、或いは力を全く及ぼさないこともある。ドーパント原子はまた、それのダイヤモンドイドホストに関して化学的に不活性であることがある。もちろん、この明細におけるダイヤモンドイドの定義に沿って、それらダイヤモンドイドは、ヘテロダイヤモンドイド又はそれらの誘導体であることもある。
【００９１】
光学的活性なドーパント原子を受け入れることのできる重合ダイヤモンドイド含有材料を、図１７Ｂの１７１０に概略的に示す。これの典型的な材料は、４個のダイヤモンドイド（１７１１〜１７１４）を含有している。それらダイヤモンドイド（１７１１〜１７１４）は、隙間（ｐｏｒｅ）の内部に光学的活性なドーパント原子１７１５が存在している該隙間を形成している。分子結晶１７０１と同様に、重合材料１７１０を構成するダイヤモンドイド（１７１１〜１７１４）のいずれかは、ドーパント原子に何らかの方法で接触しているか若しくは結合しているか、又は、それらダイヤモンドイドは、ドーパント原子に対して化学的に不活性であり；しかも、光学的活性なドーパント原子１７１５は適所に機械的に保持されていることがある。
図１７Ａ、図１７Ｂのダイヤモンドイド含有材料はまた、図１６の固体レーザーにおいて使用することができる。
【００９２】
ダイヤモンドイド含有半導体レーザー及び発光ダイオード
ｎ型ダイヤモンドイド含有材料をｐ型材料と結合させるか；ｎ型材料をｐ型ダイヤモンドイド含有材料と結合させるか；又は、ｐ型ダイヤモンドイド含有材料をｎ型ダイヤモンドイド含有材料と結合させて；ｐｎ接合を形成することによって、本態様の材料から組立てられる発光ダイオードを形成することができる。ｐｎ接合は次いで、順方向にバイアスされる。このことは、負電圧を該結合のｎ型側に印加し、正電圧を該結合のｐ型側に印加することを意味する。ｐｎ接合は、ダイオード（とりわけ、それのｐｎ接合）を横切って電場又は電位を与えることによって、順方向にバイアスされることがある。順方向のバイアスによって、電子は、ｎ型材料から、ｐｎ接合を横切って、ｐ型材料の中に励起され、その場合、それら電子は正孔と結合する。電子が正孔と結合するたびに、光子は励起されることがある。
ダイヤモンドが使用されている電流注入型発光デバイスは、ホリウチ（Ｈｏｒｉｕｃｈｉ）等によって米国特許第６，４３３，４７４号明細書に開示されている。そのような電流注入型発光デバイスでは、紫外線を放出するダイヤモンド媒質が使用されている。２つの電極の間に直流電圧を印加してダイヤモンドの中にキャリアが注入される結果、ダイヤモンド材料内部に自由励起子再結合が生じる結果として、該デバイスは紫外線を放出する。
【００９３】
ホリウチ（Ｈｏｒｉｕｃｈｉ）等は、光学情報記録、読み出し処理、フォトリソグラフィ、光学的ワーキング（ｏｐｔｉｃａｌ  ｗｏｒｋｉｎｇ）、及び蛍光源の分野において、紫外線を放出するダイヤモンドデバイスのｐｎ接合を使用することができることを教示する。紫外線は短い波長を有しているので、そのようなデバイスに対する需要は、紫外線によって与えられる高周波数（従って、高いバンド幅）に起因して、非常に多い。ホリウチ等のデバイスは、発光層（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｌａｙｅｒ）であって、そこで、電流の注入によって励起されることに起因して自由励起再結合放射が支配的（ｄｏｍｉｎａｎｔ）であるような具合に発光が起こる該発光層を有している。このことは、意図的に挿入されているドーパント原子を除き、格子欠陥がほとんどない高品質ダイヤモンドを用いてのみ可能である。
由来が自由励起子再結合である「支配的」発光は、ホリウチ等によって、発光強度が、不純物によって生じる発光の少なくとも２倍も大きい発光と定義されている。ホリウチ等の高品質ダイヤモンド結晶は、結晶内に含有される窒素の量が約１０ｐｐｍ以下であるように窒素ゲッター（ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｇｅｔｔｅｒ）を用いる高温高圧法によって造られる。ダイヤモンド中に、格子欠陥の他に窒素が存在すると、自由励起子再結合放射に悪影響を与える。好ましいダイヤモンド材料は、ホウ素を含有するｐ型半導体であって、ホウ素含有量が、赤外分光法によって測定されるとき４０ｐｐｍ以下であるか、又は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定されるとき約２×１０１９原子／ｃｍ３以下である該ｐ型半導体である。
【００９４】
目的の発光の波長（この場合、電磁スペクトルの紫外線波長である）を最大限にするため、結晶中の不純物及び欠陥の数は最小限に抑えるべきである。ダイヤモンドは、室温で約５．４７ｅＶ（波長２２７ｎｍ）のバンドギャップ（Ｅｇ）と、約８０ｍｅＶの自由励起子の束縛エネルギー（Ｅｂ）とを示す；従って、自由励起子再結合放射の周波数は、Ｅｇ−Ｅｂ、即ち５．３９ｅＶ（２３０ｎｍ）である。しかし、ダイヤモンドは、間接遷移型半導体のバンド構造を有しており、従って、フォノンによって影響を受ける種々の事象は、光子の放出（ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を伴なう。１つはとりわけ、１個以上の横−光学フォノン（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｈｏｎｏｎｓ）であって、それらが作り出されることによって、５．２８ｅＶ（２３５ｎｍ）、５．１２ｅＶ（２４２ｎｍ）、４．９８ｅＶ（２４９ｎｍ）、及び４．８２ｅＶ（２５７ｎｍ）の付近に、室温でエネルギーを有する放出が生じる結果となる該横−光学フォノンと関連する放出である。これらの複数のフォノン・サイドバンド（ｐｈｏｎｏｎ  ｓｉｄｅ  ｂａｎｄｓ）は、一部重なり合って、観測することのできる発光バンドを形成する。一般的に、これらのフォノン・サイドバンドからの蓄積放出（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）は、「自由励起子再結合放射（ｆｒｅｅ  ｅｘｉｔｏｎ  ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）」と呼ばれている。
【００９５】
そのような放射は、最小限の不純物と欠陥とを有する高品質ダイヤモンド結晶に対してのみ観察し得ることを強調することが重要である。ホリウチ等は、窒素ゲッターを用いる高温高圧法を使用して、そのような不純物も欠陥も含有しないダイヤモンド結晶を獲得し；そして、そのような方法は、紫外線を放出するダイヤモンド結晶を提供するのに適しているのに対して、天然ダイヤモンド及びＣＶＤ法によって成長したダイヤモンドは、そのような不純物も欠陥も含有しない結晶品質を提供することができないと述べている。しかし、高温高圧合成方法は、実施するのが困難である場合がある。そのような方法において、ダイヤモンドが、安定して存在することができ且つ種結晶の上に沈降することができるようなやり方で、炭素原料を、フラックス金属（ｆｌｕｘ  ｍｅｔａｌ）及び温度圧力の型（ｒｅｇｉｍｅ）に溶解する。必要とされるものは、いっそう信頼性があり且つ制御可能な技術を用いて、不純物も欠陥も含有しないダイヤモンド材料又はダイヤモンド様材料を生成するための方法である。
本発明のダイヤモンドイド含有材料は、そのような解決方法を提供する。ＣＶＤによって生成されたダイヤモンドイド含有膜；ダイヤモンドイドの自己集合クラスター若しくは結晶クラスター（分子結晶）；又は、重合したダイヤモンドイド含有膜；を包含する、上記に開示した方法のいずれもが、短波長放射を放射するデバイスを造るのに適していると考えられる。とりわけ関心あるのは、ヘテロ原子を全く含有していないダイヤモンドイドの分子結晶である。なぜなら、それらの水素化ダイヤモンド表面がｐ型電気特性を示し、しかも、本態様のダイヤモンドイドの分子結晶が、非常に大きい［表面］対［体積］比を示すからである。
【００９６】
適切な紫外線を放射する電流注入型デバイス（レーザー又は発光ダイオード）であって、上述のダイヤモンドイド含有材料が適している該デバイスを、図１８に示す。図１８に関連し、１８００に概略的に示される電流注入型紫外線放射デバイスは、電極１８０２と電極１８０３の間に挟まれているダイヤモンドイド含有材料１８０１を備えている。１つの態様におけるダイヤモンドイド含有材料１８０１は、ダイヤモンドイドの水素化表面がｐ型電気特性を示すような具合に、ヘテロ原子を全く含有していないダイヤモンドイドの分子結晶である。この態様において、電極（１８０２，１８０３）は、ダイヤモンドイド含有材料１８０１の２つの向かい合う側面の上にスパッタリングを行うことのできる導電性金属（例えば、銀）を含有することがある。電極（１８０２，１８０３）はそれぞれ、配線（１８０４，１８０５）を経由して電源１８０６に接続されている。電源１８０６及び配線（１８０４，１８０５）の極性は、電子が、電極１８０３からダイヤモンドイド含有材料１８０１の中に注入されて、ダイヤモンドイド含有材料１８０１中に正孔と自由励起子とが創り出されるような具合に構成されている。ダイヤモンドイド含有材料１８０１は十分な品質のものである。十分な品質とは、自由励起子が互いに結合することができ且つ自由励起子再結合放射を達成することができるような具合に、不純物及び欠陥が低い濃度であることを意味する。
【００９７】
本発明者等によって意図されている態様による、半導体レーザーを得るための原理を、図１９Ａ〜図１９Ｃに関連して解説する。半導体レーザーは、図１９Ａの１９００に概略的に示される。ここに、ｐ型ダイヤモンドイド含有材料１９０３、及びｎ型ダイヤモンドイド含有材料１９０４にそれぞれ接続されているコンタクト（１９０１，１９０２）が示されている。順方向バイアスが接合領域１９０５に加えられるとき、レーザー光１９０６が放出される。
半導体レーザーにおいて必要な反転分布を達成するモードは、色素レーザーに適用される機構と異なっている。当業者は、図１９Ｂに関連し、如何なるバイアスをも用いないでｐｎ接合を得るためのバンド構造と、図１９Ｃに関連し、順方向バイアスを用いて同一のｐｎ接合を得るためのバンド構造とを認識するであろう。前に説明したように、電子は、ｎ型材料からｐ型材料の中へ流れ、該接合に接近した状態で、該材料の伝導帯を占有する。この領域では、価電子帯における正孔状態の濃度と比べて、いっそう高い濃度の伝導帯における電子状態が占有されている。図１９Ｃに示されるように、２つの状態の間の下向き遷移（ｄｏｗｎｗａｒｄ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）１９０７を作るとき、該系は、レーザー作用を始めるための自然放出（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）として役立つ再結合放射（図示せず）を放出する。このタイプのレーザーのために、外部ミラーは必要でない。
【００９８】
この明細の初めの方のセクションにおいて解説したｎ型ダイヤモンドイド含有材料及びｐ型ダイヤモンドイド含有材料は、半導体レーザーのｐｎ接合を形成するのに適しているものと考えられる。
上記に開示したｎ型材料及びｐ型材料から作り上げることのできる類似デバイスには、フォトレジスタ、フォトダイオード、太陽電池、及びフォトトランジスタが包含される。そのようなデバイスは、「発明者のための実践電子工学（Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｖｅｎｔｏｒｓ）」，［マグロウヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ），  ニューヨーク，２０００），第５章の、Ｐ．シェルツ（Ｓｃｈｅｒｚ）による光電子工学に関する章で解説されている。フォトレジスタは、光制御可変抵抗器である。フォトレジスタは、動作の点では、暗闇に置かれたとき、通常、非常に抵抗性であるが、それが取り除かれたとき、それの電気抵抗は著しく減少する。ダイヤモンドイド含有フォトレジスタの潜在的用途には、明暗活性化（ｌｉｇｈｔ  ａｎｄ  ｄａｒｋ）スイッチ回路、及び光検出器回路が包含される。フォトダイオードは、光エネルギーを直接電流に変換するデバイスである。フォトダイオードのアノードリード線とカソードリード線とが配線によって一緒に接続され、該フォトダイオードが暗闇に置かれるとき、電流は流れない。しかし、フォトダイオードが照明されるとき、該フォトダイオードは、カソードから配線を通ってアノードへ電流を送り込む小さい電源となる。フォトダイオードの用途には、無線通信で使用される高速パルス光検出器が包含される。太陽電池は、非常に大きい表面積を有するフォトダイオードである。フォトトランジスタは、光感応トランジスタである。通常タイプのフォトトランジスタは、バイポーラートランジスタのベース取り出しが除去されて、光感応表面領域で置き換えられている該バイポーラートランジスタに類似している。該表面領域が暗い状態に保持されているとき、該デバイスはオフ状態であり（ｏｆｆ；切れており）、電流はコレクターを通ってエミッタ領域へ流れない。該光感応領域が光にさらされるとき、遥かに大きいコレクタ電流とエミッタ電流とを制御する小さいベース電流が発生する。電界効果フォトトランジスタは、バイポーラートランジスタと違って、光を使用して、列（ｔｒａｉｎ）のソース電流を制御するのに用いられるゲート電圧を発生させる。
【００９９】
本発明の態様によると、発光ダイオードは、バンドギャップを有するダイヤモンドイド含有材料と；光が該ダイオードから放出されるような具合に、電界を生じさせて少なくとも１つの電子項遷移（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を引き起こすための手段と；を有している。電子項遷移は、バンドギャップを横切って生じることがあり；更に、バンドギャップ内部において電子状態が関与することなく電子項遷移が生じるような具合に、発光ダイオードを設計することができる。ダイヤモンドイド含有材料のバンドギャップは、１つの態様において、少なくとも３ｅＶであり、もう１つの態様において、少なくとも４ｅＶであり、更にもう１つの態様において、少なくとも５ｅＶである。放射光線の波長は、電磁スペクトルの紫外線範囲にあることがある。
同様に、受光素子は、バンドギャップを有するダイヤモンドイド含有材料と、該材料による光の吸収によって生じる少なくとも１つの電子項遷移からの電流を処理する手段とを有していることがある。電子項遷移は、バンドギャップを横切って生じることがあり；更に、バンドギャップ内部において電子状態が関与することなく電子項遷移が生じるような具合に、発光ダイオードを設計することができる。ダイヤモンドイド含有材料のバンドギャップは、１つの態様において、少なくとも３ｅＶであり、もう１つの態様において、少なくとも４ｅＶであり、更にもう１つの態様において、少なくとも５ｅＶである。放射光線の波長は、電磁スペクトルの紫外線範囲にあることがある。
【０１００】
荷電粒子検知器
ダイヤモンドイド含有材料は、粒子検知器として有用であるように考えられる。そのようなデバイスは、米国特許第５，７７３，８３０号明細書にルー（Ｌｕ）等によって記述されている。ルー等によって記述されている固体放射線検出器は、２つの電極であって、それらの内側に自立絶縁材料が配置されている該電極の間に強力な電界を確立することによって作動する。該絶縁材料が、十分なエネルギーを持つ放射線にさらされて、該絶縁材料の伝導帯の中に電子、又は電子−正孔対のキャリアを導くとき、それらキャリアは、電界によってそれら電子まで動かされる。それらキャリアが到達したことは、それら電極に接続された電気信号検出デバイスによって測定することができる。
ダイヤモンドは一般に、固体粒子検知器において用いるのにとりわけ好都合な材料であると認識されている。なぜなら、ダイヤモンドは、我々の代わりの検出器材料（例えば、ｐｎ接合を有するシリコン）に比べて、放射線損傷に対して遥かに抵抗性があるからである。シリコン検出器は、強い放射線にさらされるとき、結晶構造に損傷を受け、そのことによって、漏れ電流の増大；並びに、パルス波高及び出力信号の低下；が引き起こされる。更に、シリコンでは、なだれ降伏の前に加えることのできる最大電界が、約１０３Ｖ／ｃｍとなる。このことによって、電荷速度は約１０６ｃｍ／秒に制限されるため、数百μｍの厚さを有する検出器の収集時間は、少なくと２０ナノ秒となる。
【０１０１】
ルー等は、アークジェットＣＶＤ堆積法によって、ダイヤモンド膜を生成する方法を開示している。生成された材料は、３５〜５０μｍの収集距離（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）と、３０００〜４０００ｃｍ２Ｖ−１秒−１の移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）と、１ナノ秒を超える寿命とを示した。この寿命は、ＣＶＤダイヤモンドについて典型的に報告されている８１５０ピコ秒よりも大きく、また、天然のタイプＩＩａダイヤモンドについての３３００  ５５０ピコ秒よりも大きい。
また、本態様によって用いるのに適した典型的な粒子検知器を、図２０Ａの２０００に概略的に示す。該デバイスは、２つのオーム接触電極（２００２，２００３）を有するダイヤモンドイド含有材料２００１を含有している。電極（２００２，２００３）は、負荷抵抗器２００５と直列になっている電圧源２００４を包含する信号処理回路に接続されている。増幅器２００６は、絶縁コンデンサ２００７を経て電極２００２に接続されている。作動中、荷電粒子２００８は、ほぼ経路２００９に従い、その過程において大体２０１０の位置に電子−正孔対を創り出しながら、検知器２０００を通過する。電子は、正電気を帯びた電極２００２まで拡散し、その場合、正孔は、外部回路に信号を創り出しながら、負電気を帯びた電極２００３まで拡散する。この信号は、増幅器２００６によって増幅される。
【０１０２】
粒子検知器又は放射線検知器の代わりの態様を、図２０Ｂに示す。図２０Ｂにおいて、電極（２００２及び２００３）は、それら電極の様々な部分が、ダイヤモンドイド含有材料２００２の異なる部分の助けとなるような具合に、再分割された。この態様の利点は、ダイヤモンドイド含有材料２００１の複数の領域が、異なる対の電極の影響下にあるため、該検知器の１つの部分が受ける損傷が、該検知器のもう１つの部分が粒子又は放射線に感応するのを妨げないことである。図２０Ｂに示されるように、電極の対（２００２Ｂ，２００３Ｂ）は、検知器の左側領域にエネルギーを与え、また、電極の対（２００２Ａ，２００２Ｂ）は、検知器の右側領域にエネルギーを与える。従って、材料２０２３の領域が放射線にもはや感応しないような具合に、粒子２０２１が左側領域に損傷を与える場合、依然として作動可能な領域２０２４によって、依然として粒子２０２２を検知することができる。
【０１０３】
反射防止コーティング
本態様のダイヤモンドイド含有材料は、反射防止コーティングの交互層（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒｓ）の一方又は両方として有用であると考えられる。反射防止コーティングの理論は、「Ｉｎｓｉｇｈｔ  ｉｎｔｏ  Ｏｐｔｉｃｓ  （Ｗｉｌｅｙ，  ニューヨーク，１９９１）」，ｐｐ．４４〜４６においてＯ．Ｓ．ヘブンス（Ｈｅｒａｖｅｎｓ）及びＲ．Ｗ．ディッチバーン（Ｄｉｔｃｈｂｕｒｎ）によって解説されている。
図２１Ａ、図２１Ｂに、典型的な反射防止コーティングを示す。図２１Ａに関連し、２１００に概略的に示される反射防止コーティングは、基体（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）２１０１の上に堆積された高屈折率材料と低屈折率材料の交互層を含有している。反射防止コーティング２１００を含有するそれら層は、いずれか１つの層を２回透過することによってπの位相の差角（ｐｈａｓｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が生じるように、基体２１０１上に衝突する光の波長の１／４の、同等の光学的厚さのものである。
【０１０４】
反射防止コーティングの作動は、図２１Ｂに関連していっそう容易に解説することができる。図２１Ｂは、１／４波長のスタック（ｓｔａｃｋ）２１１０の単一要素の上に衝突している放射線（ｒａｙｓ；光線）の成り行きを示している。単一要素２１１０は、高屈折率材料の単一層２１１０と低屈折率材料の単一層２１１１とを有している。単一要素２１１０上の入射波２１１５の相が０であると仮定すると、反射されたビーム２１１６は、（反射に起因する）相πを有し、また、反射されたビーム２１１７は、反射に起因して表面差（ｓｕｒｆａｃｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）は有していないが、２回の透過に起因する、πの位相の差角を有している。反射されたビーム２１１８は、透過に起因する２πの位相の差角と、反射に起因するπの位相の差角とを有し、３πを作るので、それは、ビーム（２１１６及び２１１７）で位相が合う。従って、２つの波の各々の組の、連続的な相殺的干渉（ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）によって、反射光はゼロになる。
ダイヤモンドイド含有層２１１０の利点は、該層の高屈折率に起因して、該層の厚さは薄くすることができ、そうすることによって、相殺的干渉の状態を創り出すのに、いっそう多くの数の層といっそう大きい効率とが可能となる。
【０１０５】
本出願で引用した刊行物、特許明細書及び特許出願明細書は全て、各々の刊行物、特許出願明細書及び特許明細書が、あたかも、具体的且つ個々に、言及することによってそっくりそのまま組み入れるように指示されているのと同一程度に、言及することによってそっくりそのまま本明細書に組み入れる。
上記に開示した本発明の典型的な諸態様に関する多くの部分修正は、当業者の心に容易に思い浮かぶであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲に含まれる全ての構造体及び方法を包含するものと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の諸態様の総括であり、石油からダイヤモンドイドを分離する工程と、ダイヤモンドイド及びヘテロダイヤモンドイドを含有材料を合成する工程と、ダイヤモンドイド及びヘテロダイヤモンドイドを含有材料から光デバイス及び光電素子を創り出す工程とを示す。
【図２】石油からダイヤモンドイドを分離するための、典型的なプロセスの流れを示す。
【図３】ダイヤモンドの結晶格子に対するダイヤモンドイドの関係を説明し、また、化学量論的式による利用可能な多くのダイヤモンドイドを挙げる。
【図４】典型的なヘテロダイヤモンドイドを説明し、また、ヘテロ原子が置換によって配置されることのある炭素位置の型を示す。
【図５Ａ】ヘテロダイヤモンドイドを合成によって生成するための典型的な経路を説明する。
【図５Ｂ１】図５Ｂは、ヘテロダイヤモンドイドを合成によって生成するための典型的な経路を説明する。
【図５Ｂ２】図５Ｂは、ヘテロダイヤモンドイドを合成によって生成するための典型的な経路を説明する。
【図６】典型的な処理反応器であって、その中で、化学蒸着（ＣＶＤ）技術を用いて、ドーピングされていないダイヤモンドイド含有材料、又はｎ型及びｐ型のヘテロダイヤモンドイド材料を生成することのできる該反応器を例示する。
【図７】図７Ａ〜図７Ｃは、典型的なプロセスであって、それによって、ヘテロダイヤモンドイドを用いて、成長しているダイヤモンド膜の中にドーパント不純物原子を導入することのできる該プロセスを例示する。
【図８Ａ】ダイヤモンドイドから作ることのできる典型的な高分子材料を示す。
【図８Ｂ】ダイヤモンドイドから作ることのできる典型的な高分子材料を示す。
【図８Ｃ】ダイヤモンドイドから作ることのできる典型的な高分子材料を示す。
【図８Ｄ】ｎ型又はｐ型のヘテロダイヤモンドイドからポリマーを合成するための、典型的な反応スキームである。
【図９Ａ−Ｊ】図９Ａ〜図９Ｊは、ポリマーとして導電性であり；しかも、ヘテロダイヤモンドイドを連結してｎ型材料及びｐ型材料を生成するのに用いることのできる；典型的な連結基を示す。
【図９Ｋ−Ｎ】図９Ｋ〜図９Ｎは、ポリマーとして導電性であり；しかも、ヘテロダイヤモンドイドを連結してｎ型材料及びｐ型材料を生成するのに用いることのできる；典型的な連結基を示す。
【図１０】ポリアニリンオリゴマーによって連結されたヘテロダイヤモンドイドから作られた典型的なｎ型材料又はｐ型材料を例示する。
【図１１】典型的なダイヤモンドイド、［１（２，３）４］ペンタマンタンが如何にして詰め込まれて分子結晶を形成するかを例示する立体図である。
【図１２】個々のヘテロダイヤモンドイドが如何にして結合し、分子レベルでのｎ型素子又はｐ型素子を形成するかを示す。
【図１３Ａ】直接バンドギャップ半導体のための、運動量に対するエネルギーの図である。
【図１３Ｂ】間接バンドギャップ半導体のための、運動量に対するエネルギーの図である。
【図１３Ｃ】ナノ結晶又は量子準位の形態を有する間接バンドギャップ半導体のための、運動量に対するエネルギーの図である。
【図１４Ａ】ダイヤモンド中の窒素ヘテロ原子を記述するのに用いられる用語を定義する流れ図である［Ｍ．Ｈ．ナザレ（Ｎａｚａｒｅ）及びＡ．Ｊ．ネベス（Ｎｅｖｅｓ）により編集された「ダイヤモンドの性質、成長及び用途（Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，  Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｄｉａｍｏｎｄ）」（校閲、ロンドン、２００１年）の中のＩ．キフラウィ（Ｋｉｆｌａｗｉ）等：「ダイヤモンド中の窒素の凝集の理論」，ｐｐ．１３０〜１３３から］。
【図１４Ｂ】ダイヤモンド中の窒素ヘテロ原子及び空格子点の種々の立体配置（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ）を示す［Ｍ．Ｈ．ナザレ及びＡ．Ｊ．ネベスにより編集された「ダイヤモンドの性質、成長及び用途」（校閲、ロンドン、２００１年）の中のＲ．ジョーンズ（Ｊｏｎｅｓ）等：「ダイヤモンド中の窒素の凝集の理論」，ｐｐ．１２７〜１２９から］。
【図１５】図１５Ａ及び図１５Ｂは、窒素−空格子点色中心を有する、典型的なダイヤモンドイド含有材料である。
【図１６】ダイヤモンドイド含有レーザー媒質を有する典型的なレーザーである。
【図１７】図１７Ａ及び図１７Ｂは、レーザー作用の原因となるドーパント原子を有する典型的なダイヤモンドイド含有材料である。
【図１８】典型的な、ダイヤモンドイド含有の発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略図である。
【図１９Ａ】典型的な半導体レーザー（レーザーダイオード）の概略図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａの半導体レーザーにおいて用いるのに適した典型的なｐｎ接合のバンドギャップの図である。
【図１９Ｃ】図１９Ａの半導体レーザーにおいて用いるのに適した典型的なｐｎ接合のバンドギャップの図である。
【図２０Ａ】典型的なダイヤモンドイド含有粒子検知器の概略図である。
【図２０Ｂ】典型的なダイヤモンドイド含有粒子検知器の概略図である。
【図２１】図２１Ａ及び図２１Ｂは、典型的なダイヤモンドイド含有反射防止コーティングである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ１】
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【図５Ｂ２】
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【図６】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ−Ｊ】
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【図９Ｋ−Ｎ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９Ｃ】
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【国際調査報告】
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