合成ダイヤモンド

合成ダイヤモンド（人工ダイヤモンド）

合成ダイヤモンド、または人工ダイヤモンドとは、天然ダイヤモンドが地球内部で生成されるのに対し、科学技術を用いて人工的に作製されたダイヤモンドのことです。ラボグロウンダイヤモンドとも呼ばれます。

合成方法

主に以下の方法で合成されます。

高温高圧合成（HPHT）法: 高温高圧環境を再現し、炭素をダイヤモンド結晶として成長させる方法。
化学気相蒸着（CVD）法: 炭素を含むガスを反応させ、基板上にダイヤモンド薄膜を成長させる方法。
爆轟法: 炭素を含む爆薬を爆発させ、ナノダイヤモンドを合成する方法。
キャビテーション法: 超音波を用いてグラファイトを処理し、ダイヤモンドを合成する方法（商業利用はまだ）。

歴史

1879年から1928年にかけて合成の試みは行われましたが、いずれも失敗に終わりました。1940年代に入り、アメリカ、スウェーデン、ソ連がCVD法とHPHT法を用いた体系的な研究を開始し、1953年頃に最初の再現可能な合成方法が発表されました。

合成の試み

1797年にダイヤモンドが炭素のみで構成されていることが判明すると、科学者たちは安価な炭素材料を用いて合成を試みました。1879年にジェームス・バランタイン・ハネイが、1893年にはアンリ・モアッサンがそれぞれ合成に成功したと主張しましたが、彼らの実験の再現性は確認されていません。

GEダイヤモンド計画

1941年、ゼネラル・エレクトリック（GE）、ノートン社、カーボランダム社の3社が共同で合成の研究を開始。第二次世界大戦による中断を経て、1951年にGEの研究チームがトレイシー・ホール氏の指揮のもと研究を再開し、1954年にHPHT法による商業的な合成に初めて成功しました。

その後の研究開発

GEに続き、1953年にはスウェーデンのASEA社も独自に合成に成功。1970年にはGEが宝石品質の合成ダイヤモンドを開発しました。1950年代には、ソ連とイギリスでCVD法の研究が始まり、1980年代には安価なダイヤモンド膜の堆積技術が急速に進歩しました。

特性

合成方法によって特性は異なりますが、一般的に硬さ、熱伝導性、電気伝導性、電子移動度などが天然ダイヤモンドよりも優れている場合があります。そのため、研磨材、切削工具、ヒートシンク、高電圧開閉器、高周波電界効果トランジスタ、発光ダイオードなど、幅広い用途に利用されています。

結晶性: 単結晶または多結晶。
硬度: モース硬度10（最高硬度）。合成方法や結晶状態により異なる。
不純物: 意図的に添加することで、電気伝導性などの特性を制御可能。
熱伝導性: 非常に高く、放熱材料として利用。

合成方法の詳細

高温高圧合成法（HPHT法）

ベルト型、キュービック型、分割球型などの高圧装置を使用し、高温高圧環境を作り出してダイヤモンドを合成します。

化学気相蒸着法（CVD法）

炭素を含むガスを反応させ、基板上にダイヤモンド薄膜を成長させます。比較的低温・低圧で合成できるため、様々な基板への応用が可能です。

爆轟法

炭素を含む爆薬を爆発させ、ナノダイヤモンドを合成します。生成されたナノダイヤモンドは研磨材などに利用されます。

超音波キャビテーション法

超音波を用いてグラファイトを処理し、ダイヤモンドを合成します。まだ研究段階であり、産業利用はされていません。

利用

工作機械・切削工具

硬度が高いため、研磨材や切削工具として広く利用されています。

放熱器

高い熱伝導率を活かし、電子機器の放熱器として利用されています。

光学的利用

赤外線やマイクロ波の透過窓、高出力光源の透過窓などに利用されています。

半導体

ホウ素などをドープすることで半導体特性を持たせることができ、LEDやトランジスタなどの材料として研究されています。

宝石

HPHT法やCVD法で合成された高品質なものは、宝石としても利用されています。天然ダイヤモンドとの識別が重要な課題となっています。

合成ダイヤモンドは、天然ダイヤモンドに比べて安価に入手できる場合が多く、また、紛争や搾取に関わっていないという倫理的な利点もあります。そのため、今後ますます需要が高まることが予想されます。

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