合成ダイヤモンド

context: 合成ダイヤモンド(ごうせいダイヤモンド、英:syntheticdiamond)または人工ダイヤモンド(じんこうダイヤモンド、英:artificialdiamond)は、地球内部で生成される天然ダイヤモンドに対して、科学技術により人工的に作製したものである。
主に高温高圧合成(HPHT)や化学気相蒸着(CVD)法により合成される。
研究所製造ダイヤモンド(英:lab-growndiamond)という呼び名もある。
1879年から1928年にかけて、合成が試みられたが、全て失敗している。
1940年代には、アメリカ合衆国、スウェーデン、そしてソビエト連邦がCVD法とHPHT法を用いた合成を体系的に研究し始め、1953年頃に最初の再現可能な合成方法を発表した。
現在はこの2つの方法で主に合成されている。
CVD法、HPHT法以外では、1990年代後半に炭素元素を含む爆薬を使用し、爆轟(デトネーション)によるナノダイヤモンド合成法が開発された。
さらに高出力の超音波を用いてグラファイトを処理するキャビテーション法もあるが、未だ商業的には利用されていない。
qas: question: 合成ダイヤモンドの再現可能な合成方法が初めて発表されたのはいつ?
answers: text: 1953年頃

question: 研究所製造ダイヤモンド、人工ダイヤモンドのもう1つの別名は何?
answers: text: 合成ダイヤモンド

question: 1990年代後半に開発された新たな合成法とは?
answers: text: ナノダイヤモンド合成法

context: 特性は合成方法により異なり、硬さや熱・電気伝導性、電子移動度が天然のものよりも優れる特性を有する。
このため研磨材、切削工具、ヒートシンク(放熱板)などに広く使われる。
また、発電所の高電圧開閉器、高周波電界効果トランジスタと発光ダイオードとしての利用が進められている。
HPHT法やCVD法で合成されたものは宝石としても利用される。
天然ダイヤモンドの取引会社にとっては、重大な関心事であり、天然のものと区別するために、分光装置を開発するなど様々な対策が施されている。
qas: question: 合成ダイヤモンドを宝石として利用できるのは、HPHT法と何法で合成されたものですか?
answers: text: CVD法

question: 合成ダイヤモンドの優れた熱伝導性を活かした部品とは何?
answers: text: ヒートシンク

question: 合成ダイヤモンドと天然ダイヤモンドを区別するために何が開発されましたか?
answers: text: 分光装置

question: 合成ダイヤモンドと天然ダイヤモンドでは、どちらが電子移動度が劣っていますか?
answers: text: 天然ダイヤモンド

context: 1797年にダイヤモンドは炭素のみで構成されていることが発見されると、科学者らは安価な炭素材料を用いての合成を試みた。
1879年にジェームス・バランタイン・ハネイが初めて合成に成功し、1893年にアンリ・モアッサンも続いて合成している。
彼らの方法は、炭素を含む鉄製のるつぼに木炭を3,500°Cまで加熱し合成させる方法であった。
ハネイは炎熱管を用いたが、モアッサンは新しく改良したアーク炉を使用した。
溶融した鉄は水に浸すと急激に冷やされ、恐らくその鉄が凝固した際に発生した体積の収縮が、グラファイト(黒鉛)の変化に十分な高圧力を発生させたのではないかと考えられた。
モアッサンは1890年代に研究論文を発表しているが、当時の実験を再現しても温度や圧力が足らず、モアッサンが行った実験と同等の結果は得られないとされており、同じ作業を延々と繰り返され根が尽きた助手が実験の切り上げを決断するように天然のものの粒を混ぜたのではないか、という説が存在する。
qas: question: 炭素を含む鉄製のるつぼに木炭を3,500°Cまで加熱し合成させる方法を最も早く行った人物は誰ですか?
answers: text: ジェームス・バランタイン・ハネイ

question: 天然のダイヤモンドの構成物質は何ですか?
answers: text: 炭素

question: 炭素材料を用いた合成にアーク炉を使った人は誰?
answers: text: モアッサン

question: ハネイとモアッサンが行った合成方法では、木炭を何°Cまで加熱させましたか?
answers: text: 3,500°C

context: 多くの科学者がモアッサンの実験を再現しようと試みた。
ウィリアム・クルックス卿が1909年に成功し、またオットー・ルフが1917年に合成したものが直径7mmまでに成長したと報告したが、後にそれを撤回している。
マクファーソン大学のウィラード・ハーシー博士はモアッサンとルフの実験を再現し合成させた。
その試料はアメリカ・カンザス州のマクファーソン博物館に展示している。
しかし他の実験者は、3人の実験方法を試しても合成することが出来なかった。
qas: question: ウィラード・ハーシー博士が再現したモアッサンとルフの実験試料は、どこに展示されていますか?
answers: text: マクファーソン博物館

question: モアッサンの実験を再現し、成功した人は誰ですか?
answers: text: ウィリアム・クルックス

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

question: チャールズ・アルジャーノン・パーソンズがダイヤモンドの合成の研究に費やした年数は?
answers: text: 40年

question: 当時合成されたダイヤモンドのほとんどが合成スピネルの類似物質であると推測した博士は誰ですか?
answers: text: デッシュ

question: デッシュによれば、当時合成されたダイヤモンドの多くは何という物質に似ていたのですか?
answers: text: 合成スピネル

context: 1941年に合成のさらなる改良を目指して、ゼネラル・エレクトリック(GE)社、ノートン社、カーボランダム社の3社合同で研究を始めた。
彼らは数秒間の3.5GPaの圧力下で3,000°Cまで炭素を加熱させることに成功したが、その後の第二次世界大戦により計画を中断せざるを得なくなった。
1951年にニューヨーク州のスケネクタディ研究所で再開し、トレイシー・ホール率いる高圧合成ダイヤモンド研究チームが結成された。
この研究所のダイヤモンドアンビルセルが、1946年にノーベル物理学賞を受賞したパーシー・ブリッジマンによって設計・改善された。
GEは炭化タングステン製アンビルを用いて、カトリナイトの容器に入れた試料に圧力をかける方法を使用し、偶然にもその方法で合成されたが再現性は得られなかった。
後にそれは結晶核として用いられた天然ダイヤモンドと判明した。
qas: question: ゼネラル・エレクトリック社、ノートン社、カーボランダム社の3社合同の研究は、第二次世界大戦後にどこの研究所で再開されましたか?
answers: text: スケネクタディ研究所

question: ダイヤモンドアンビルセルの設計者は誰ですか?
answers: text: パーシー・ブリッジマン

question: ダイヤモンドアンビルセルがある研究所はどこの地域にありますか?
answers: text: ニューヨーク州

question: パーシー・ブリッジマンがノーベル物理学賞を受賞したのはいつ?
answers: text: 1946年

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

question: ホールが初めて商業的な合成に成功したのはいつ?
answers: text: 1954年12月16日

question: アメリカ化学会賞を受賞した人の名前は?
answers: text: ホール

question: ホールがアメリカ化学会賞を受賞する3年前に退社した会社は何?
answers: text: GE

context: 前述のGE社の他に、1953年2月16日にスウェーデンの大手電気機器メーカーASEA社も独自に完成した。
1949年に"QUINTUS"というコードネームで呼ばれた極秘ダイヤモンド合成プロジェクトとして、5人の科学者と技術者を雇い研究に着手した。
彼らは大きな分割球装置を使用し、装置内の圧力を1時間で8.4GPa維持することに成功した。
しかし宝石としてはサイズも質も劣る非常に小さなダイヤモンドしか生成できず、1980年代まで研究結果の報告を行わなかった。
1980年代において新たな競争相手が現れた。
それは韓国のイルジン・ダイヤモンドという会社で、数百社の中国企業もそれに続いた。
しかし、この会社は元GEの韓国人社員によるGE社の企業秘密を不正流用した開発技術による合成だったと言われている。
qas: question: QUINTUSの新たなライバル会社の名前は?
answers: text: イルジン・ダイヤモンド

question: QUINTUSはどこの国で立ち上がったの?
answers: text: スウェーデン

question: QUINTUSを立ち上げた会社は何という名前なの?
answers: text: ASEA社

question: ASEA社の極秘ダイヤモンド合成プロジェクトがスタートした年はいつ?
answers: text: 1949年

context: 1970年にGE社は、宝石と同等の質をもつものを最初に開発し、1971年にこの研究結果を発表した。
方法としては、葉ろう石の筒型容器の両端にダイヤモンド粒子を種付けし、グラファイトを容器の中心に、またニッケルを用いた金属溶媒をグラファイトとダイヤの種晶を植え付けた容器の端との間に設置した。
この容器を加熱し、さらに5.5GPaまで加圧した。
結晶は容器の中心から両端に向けて析出し、時間の経過とともに結晶もより長く成長した。
当初は一週間かけて実験を行っても、宝石として価値のあるのは大きさ約5mm、質量1カラット(0.2g)のダイヤモンドしか生成せず、合成条件は可能な限り安定にしなければならなかった。
そのため、目的の結晶の形に遥かに制御しやすくするよう、原料であるグラファイトはダイヤモンド粒子に変更された。
初期の宝飾用は、不純物として窒素が含まれるため、常に黄色や褐色を呈していた。
窒素を除去し、アルミニウムやチタンを加えると無色透明になり、ホウ素では青色を示した。
qas: question: GE社が開発した当初のダイヤモンドの質量は何カラットだったの?
answers: text: 1カラット

question: 宝飾用ダイヤモンドを無色透明にするために除去した元素とは何?
answers: text: 窒素

question: 原料をダイヤモンド粒子に変更する前は何を用いていましたか?
answers: text: グラファイト

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

question: 合成ダイヤモンドのベストの大きさは何mgですか?
answers: text: 200-300mg

question: 高品質で25カラットの合成に成功したのはどこの機関ですか?
answers: text: デビアス社ダイヤモンド研究所

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

question: それぞれ独自にダイヤモンド膜の合成に成功したフェドセーエフ、アンガス、デリャーギンの中で、最も早く成功した人は誰?
answers: text: アンガス

question: 誰の研究成果により、低コストでダイヤモンド膜を堆積させるかという研究が進められましたか?
answers: text: デリャーギン

context: 合成方法は、幾つかの方法が挙げられる。
初期の方法では高温高圧法(HighPressureandHighTemperature,HPHT)が用いられ、低予算で合成できるため、現在でも広く使用されている。
HPHT法は1500°Cで5GPaの高圧力を発生させるのに数百トンの力を必要とする。
その次は化学気相蒸着法(ChemicalVaporDeposition,CVD)による合成で、基板上に形成するため、炭素をプラズマ状態に変化させ炭素原子を堆積させる方法である。
また爆轟(デトネーション)による生成、超音波処理による方法も存在する。
qas: question: デトネーションによる生成、化学気相蒸着法、高温高圧法、超音波処理による方法の中で現在でも広く使用されている合成方法は何?
answers: text: 高温高圧法

context: 合成に必要な圧力と温度を供給するために、主に3種類の高圧装置が用いられている。
それはベルト型、キューブ型、そして分割球型である。
ベルト型は元来、GE社のトレーシー・ホールによって開発された装置である。
装置内に試料の入った筒状セルが設置され、上下アンビルから油圧で圧力が加えられる。
「ベルト」といわれる線材によりセルに巻き、あらかじめ圧力を加える。
2つのアンビルは電極の役割を果たし、セルの内蔵ヒーターに電流を流し、高温高圧の状態を生み出すことができる。
今日においても、ベルト型が使用され、初期の装置よりも巨大な圧力装置が製造されている。
キュービック型圧力装置は、6つのアンビルを用い立方体型のセルの6面全てに圧力をかけるマルチアンビル装置である。
最初のマルチアンビルは正四面体構造の圧力装置で、圧力が四面体のセルに集中するように、4つのアンビルを使用していた。
その後すぐに、その装置を利用してセル内容積を増加させるためキュービック型圧力装置が作られた。
装置の大きさはベルト型よりもキュービック型が小さいが、ダイヤモンドを合成するのに適した圧力と温度に達する時間が速いのがキュービック型である。
しかしながら、キュービック型装置は一般的には簡単に大きな容積を確保できない。
よりアンビルが大きくなれば、加圧できる空間も広くなるが、同じ圧力を掛けるためには、プレスする力も強くしなければならない。
そのためには、正十二面体のような面の多い正多面体上に配置したより多くのアンビルにより、圧力をかけられる空間の体積に対する表面積の比を小さくすればよい。
しかし、このような装置はあまりにも複雑で、開発することは非常に困難である。

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

question: ベルト型装置、キュービック型圧力装置、分割球装置の中で、小規模だが効率が良く、低コストでダイヤモンドを合成できる装置は何?
answers: text: 分割球装置

question: キュービック型圧力装置では、元々いくつのアンビルを使用していましたか?
answers: text: 4つ

question: ベルト型装置の開発者は誰ですか?
answers: text: トレーシー・ホール

context: 炭化水素の混合気体による化学気相蒸着(CVD:chemicalvapordeposition)を用いるもの。
1980年代初頭、この方法は世界中の科学機関により研究対象にされ、容易で順応性の高いCVD装置は研究機関の間では人気がある。
利点としては、様々な種類の基板上で広範囲にダイヤを成長させることができる点と、化学的な不純物の種類と量を細かく制御でき、それにより特性を自由に変化させたダイヤモンドの合成が可能な点である。
大量生産には、前節の高温高圧法がより適しているが、高圧力環境を必要とせず、一般的に27kPa未満でダイヤモンドの成長が行われる。
CVD法では、合成基板の前処理と、チャンバー内の混合気体の種類とその比率が重要である。
まず基板は、合成に適した材料とその結晶方位を選択しなければならない。
基板の合成面をダイヤモンド粉末で傷付け処理を施し、ダイヤモンド成長に最適な基板表面温度(約800°C)を設定する。
次に、合成ガスはメタンなどの炭素を含む気体と水素(メタンと水素の割合は1対99)を必要とする。
非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去するため、水素は不可欠である。
そして混合ガスはマイクロ波、熱フィラメント、アーク放電、電子ビームなどの方法で化学的に活性なラジカルへ励起させる。
注意点としては、プラズマ状態の気体によりチャンバー内の物質がエッチングされ、成長中のダイヤモンド内に取り込まれる点で、とくに気相合成ダイヤモンドには、装置に取り付けている透明の石英窓由来のケイ素が不純物として混入することがある。
防止するには石英窓のない装置で合成するか、窓から基板を遠ざければよい。
また、チャンバー内に非常に低濃度であってもホウ素を含む物質が存在すると、純粋なダイヤモンド合成には適さない。
qas: question: 様々な種類の基板上で広範囲にダイヤを成長させることができる装置は何ですか?
answers: text: CVD装置

question: CVD法と高温高圧法ではどちらが大量生産に向いていますか?
answers: text: 高温高圧法

context: 金属製のチャンバー内で炭素を含む爆発物による合成により直径5nmのダイヤモンド結晶が生成できる。
この様に合成したものは「デトネーション・ナノダイヤモンド」と呼ばれる。
爆発の間、爆薬の炭素からダイヤモンドへと変換可能な高い圧力と温度が発生する。
水中に沈めると、爆発合成後のチャンバーは急冷され、生成されたばかりのダイヤモンドがより安定した相であるグラファイトに変化するのを抑制できる。
この他に、グラファイト粉末を満たした金属管をチャンバー内にセットし、爆発により高い圧力と温度により生成する方法もある。
生成した物質にはグラファイトや非ダイヤモンド炭素が多く付着しているため、約250°Cの熱硝酸で1日間それらを溶解させる。
このナノダイヤモンド粉末は研磨材等として利用される。
主に中国、ロシア、ベラルーシで生産され、2000年代初めまでに大規模に市場で取引され始めた。
qas: question: 金属製のチャンバー内で炭素を含む爆発物による合成で、生成された結晶は何と呼ばれますか?
answers: text: 「デトネーション・ナノダイヤモンド」

question: ナノダイヤモンドはロシア、中国の他にどこで生産されていますか?
answers: text: ベラルーシ

context: 超音波キャビテーション法とは、超音波によるキャビテーションを行うことで、標準状態下の有機溶媒中で分散したグラファイトからマイクロメートル(μm)サイズのものの合成が可能である。
生産収率は、初めのグラファイトの質量の約10%しかない。
またこの方法では、高温高圧法によりも非常に結晶性の悪いものが生成される。
比較的簡素な設備と合成手順で生成可能であるが、2か所の研究機関からの報告のみで、2009年現在でも産業用の利用はない。
グラファイト粉末の前処理、超音波の強さ、合成時間、溶媒などの多くのパラメータは未だ最適化されていない。
そして生産効率の向上と生産コストの課題も残されたままである。
qas: question: 超音波キャビテーション法と高温高圧法では、どちらが結晶性の良いものが生成されますか?
answers: text: 高温高圧法

question: 超音波キャビテーション法での生産収率は、初めのグラファイトの質量の約何%ですか?
answers: text: 約10%