Алмазный материал

Алмазный материал

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к изменениям абсорбционных характеристик некоторых типов азотсодержащего алмазного материала, которые могут происходить, когда этот алмазный материал подвергают воздействию в определенных условиях. В частности, изобретение относится к способу, включающему регулируемое облучение этого алмазного материала для сведения изменений к минимуму. Предпочтительные способы согласно изобретению относятся к регулируемому облучению алмазного материала, полученного химическим осаждением из паровой фазы (так называемого CVD-синтетического алмазного материала). Изобретение также относится к самому алмазному материалу как таковому. Предпочтительные варианты выполнения алмазного материала согласно изобретению относятся к CVD-синтетическому алмазному материалу, который был подвергнут регулируемому облучению.

Известен конкретный тип редкого интенсивно окрашенного (фантазийного) алмаза природного происхождения, именуемый алмазом-хамелеоном, который при определенных условиях проявляет изменения своих абсорбционных характеристик. Поскольку эти алмазы являются редкими и считаются ценными, какие-либо сообщения об их обработке, приводящей к необратимым изменениям, не известны.

Термин «фантазийно окрашенный алмаз» является установившимся в торговле драгоценными камнями обозначением для классификации более интенсивных и более необычных цветов алмазного материала.

Природные розовые алмазы типа IIa также составляют еще один важный класс алмазов, которые проявляют цветовые изменения. Они проявляли изменение цвета от розового до коричневого при облучении ультрафиолетовым (УФ) светом, как описано авторами de Weerdt и van Royen (Diamond and Related Materials, том 10 (2001), стр.474-479). Розовый цвет является результатом характеристики поглощения в широком оптическом диапазоне с максимумом при 550 нм, который обесцвечивается при ультрафиолетовом облучении и также ослабевает при охлаждении.

При производстве синтетического алмазного материала, в особенности CVD-синтетического алмазного материала, известно легирование алмазного материала добавлением азота в малых концентрациях к газам, подаваемым в камеру синтеза во время CVD-процесса. В технологии известно, что это может быть преимущественным в том плане, что азот повышает скорость роста CVD-синтетического алмазного материала. Также известно, что присутствие азота в малых концентрациях в среде для выращивания по технологии CVD может влиять на природу и концентрацию дефектов, которые вводятся в процессе роста материала.

Как упомянуто выше, настоящее изобретение относится к регулируемому облучению алмазного материала для сведения к минимуму изменений абсорбционных характеристик некоторых типов азотсодержащего алмазного материала, которые могут возникать, когда этот алмазный материал подвергают воздействию в определенных условиях. Облучение алмазного материала известно в уровне техники. Например, патентные документы ЕР 0615954 и ЕР 0316856 описывают облучение синтетического алмазного материала электронным пучком или пучком нейтронов для формирования дефектов в кристаллической решетке. После этого кристалл алмаза подвергают отжигу в предварительно заданном температурном диапазоне, чтобы атомы азота связались с дефектами кристаллической решетки с образованием цветовых центров, таких, которые включают замещающий атом азота, сохраняющий ненасыщенную валентность, обозначаемый как «[N-V]-цветовой центр», или просто «N-V», который может давать алмазный материал с желательным цветом, таким как пурпурный или красно-розовый, то есть они придают алмазному материалу желательный фантазийный цвет. Подобным образом, работа “Optical Absorption and Luminescence” («Оптическое поглощение и люминесценция») автора John Walker в издании “Reports on Progress in Physics”, том 42, 1979, описывает стадии формирования дефектов кристаллической решетки в кристалле путем облучения электронным пучком, и при необходимости отжига для того, чтобы обеспечить связывание дефектов кристаллической решетки с атомами азота, содержащимися в кристалле. В уровне техники вся цель стадий облучения и отжига сводится к созданию так называемых цветовых центров, которые придают цвет алмазному материалу. Подвергнутый облучению и отжигу алмазный материал согласно патентным документам ЕР 0615954А и ЕР 0316856А содержит так называемые N-V-дефекты, обнаруживаемые по значительным уровням поглощения при длине волны около 570 нм.

Подобным образом, работа “CVD Grown Pink Diamonds” («Розовые алмазы, выращенные по технологии CVD») автора Wuyi Wang из GIA Laboratories, опубликованная 30 апреля 2009 года на сайте www.gia.edu/research-resources, описывает CVD-синтетический алмазный материал, где некоторое значительное количество азота присутствует в форме N-V-центров, которые интенсивно поглощают свет желтого и оранжевого диапазона, тем самым создавая цвет от розового до красного. Эти алмазные материалы, подобные описанным в двух публикациях ЕР (ЕР 0615954 и ЕР 0316856), содержат N-V-центры, присутствие которых, помимо всего прочего, подтверждается высокими уровнями поглощения при длине волны около 570 нм.

Авторы настоящего изобретения наблюдали, что некоторый легированный азотом синтетический алмазный материал, в особенности некоторый легированный азотом синтетический алмазный материал, будучи полученным химическим осаждением из газовой фазы (CVD-синтетический алмазный материал), также в определенных условиях проявляет изменения своих абсорбционных характеристик, которые можно наблюдать как изменение цвета. Таким образом, авторы настоящего изобретения отметили, что, подобно алмазам-хамелеонам, цвет такого синтетического алмазного материала может варьировать в цветовом диапазоне, причем цвет в пределах этого цветового диапазона нестабилен, и наблюдаемый цвет в любой конкретный момент времени зависит от недавней предыстории алмазного материала. Например, воздействие излучения, в особенности излучения с энергией более 2,0 эВ, например воздействие ультрафиолетового излучения, проявляет тенденцию изменять цвет алмазного материала до более низкого уровня градации цвета, что, в общем, считается менее желательным, тогда как термическая обработка при повышенных температурах проявляется в изменении алмазного материала до более высокого уровня градации цвета, что главным образом рассматривают как более желательное. Низкие и высокие уровни градации цвета определены в описании позже. Поскольку для большинства вариантов применения обычным состоянием алмазного материала является такое, в котором его подвергают воздействию излучения в форме света, обычный цвет алмазного материала проявляет тенденцию к переходу на более низкие, менее желательные уровни градации цвета в своем нестабильном цветовом диапазоне. В настоящем описании авторы настоящего изобретения будут называть этот обычный цвет для алмазного материала, то есть цвет алмазного материала, когда его подвергают воздействию излучения, или недавно подвергали воздействию излучения, в особенности излучения с энергией выше 2,0 эВ, как «равновесный цвет», и обычное состояние алмазного материала, то есть состояние, когда его подвергают воздействию излучения, или недавно подвергали воздействию излучения, как его «равновесное состояние», или «равновесное условие».

Как упомянуто выше, известно, что присутствие азота в низких концентрациях в среде для выращивания по технологии CVD может влиять на природу и концентрацию дефектов, которые вводятся в CVD-синтетический алмазный материал в процессе роста алмазного материала.

Для исследования природы дефектов, вводимых в алмазный материал как непосредственный результат процесса выращивания по технологии CVD, в котором вводят азот в низких концентрациях, применяли электронный парамагнитный резонанс (EPR, ЭПР) и оптическую абсорбционную спектроскопию. Присутствие азота в выращенном CVD-синтетическом алмазном материале может быть подтверждено изучением спектров поглощения выращенного алмазного материала, и хотя точная природа всех дефектов в этом алмазном материале еще не вполне понятна, анализ этих спектров дает некоторые сведения об относительных долях дефектов различных типов, присутствующих в выращенном CVD-синтетическом алмазном материале в результате присутствия азота в низких концентрациях во время процесса роста. Типичный спектр выращенного CVD-синтетического алмазного материала, выросшего в присутствии азота, добавленного в синтетическую среду, показывает пик при примерно 270 нм, который обусловливается наличием нейтральных одиночных замещающих атомов азота (SSN) в кристаллической решетке алмаза. Дополнительные пики наблюдались в области около 350 нм и приблизительно 510 нм, соответствующие другим характеристикам дефектов и специфичные для CVD-синтетического алмазного материала, и, кроме того, наблюдали так называемый «линейный наклон», то есть, повышение уровня фона в форме с×λ^-3, где «с» представляет константу, и λ представляет длину волны. Комбинация этих признаков (SSN, пик при 350 нм, пик при 510 нм и линейный наклон) влияет на цвет в видимой области электромагнитного спектра (который в основном рассматривают как охватывающий диапазон длин волн от 380 нм до 750 нм), и, как представляется, является ответственной за коричневый цвет, обычно видимый в легированном азотом CVD-синтетическом алмазном материале.

На практике было обнаружено, что точная ширина и положение в спектре этих характеристических полос поглощения могут варьировать. Положение максимального значения пика проще всего распознают с использованием дифференциала второго порядка спектра. Было найдено, что спектр поглощения можно в целом разложить на ряд аппроксимирующих компонентов, и проведение этого разложения является полезным, поскольку, когда из любого зарегистрированного спектра вычленяют хорошо известные компоненты, то можно проще выявить вклад других, менее понятных компонентов. Например, известно вычитание из наблюдаемого спектра спектрального компонента, характерного для стандартного синтетического алмазного материала. В данном случае для алмазного материала, обсуждаемого в настоящем изобретении, авторы настоящего изобретения использовали спектральное разложение, изложенное ниже и показанное на фиг.1. Для простоты сравнения нижеследующие пределы измеряли от 0 см^-1 на индивидуальном спектральном компоненте, причем протяженность спектра составляла от 0 до 800 нм.

1) Компонент одиночного замещающего атома азота с коэффициентом поглощения при 270 нм, который в основном находится в диапазоне от 0,05 см^-1 и 20 см^-1, и с коэффициентом поглощения при 425 нм, который в основном расположен между 0,04 см^-1 и 1 см^-1.

2) Полоса поглощения с центром при 3,54 эВ (350 нм)±0,2 эВ, с полной шириной на половине максимума (FWHM) приблизительно 1 эВ и максимальной интегральной интенсивностью в основном между 0,05 см^-1 и 8 см^-1 в ее центре.

3) Полоса поглощения с центром при 2,43 эВ (510 нм)±0,4 эВ, с FWHM приблизительно 1 эВ и максимальной интегральной интенсивностью в основном между 0,02 см^-1 и 4 см^-1 в ее центре.

4) Малый остаточный зависимый от длины волны компонент измеренного коэффициента поглощения (в см^-1), который имеет зависимость от длины волны в следующей приблизительной форме: с×(длина волны, λ, в мкм)^-3, где с<0,2 так, что вклад этого компонента при 510 нм в основном составляет менее 1,5 см^-1.

Фиг.1 показывает спектр поглощения слоя типичного CVD-синтетического алмаза (кривая В), который был удален с подложки, на которой он был выращен, и компоненты, в которые он может быть преобразован с помощью деконволюционного анализа. Первой стадией спектрального разложения является вычитание спектра синтетического алмазного материала типа Ib, полученного при высоком давлении и высокой температуре (НРНТ) (кривая А), нормированного так, что остаток не показывает спектральной характеристики при 270 нм. Остаточный спектр затем подвергают деконволюционному преобразованию в компонент «с×λ^-3» (кривая С) и две перекрывающихся полосы, одну с центром при 350 нм и другую с центром при 510 нм, описанного выше типа в вышеприведенных пронумерованных абзацах (2) и (3). Две перекрывающихся полосы показаны на фиг.1 как кривая D.

Известно, что форма оптического спектра УФ-видимого поглощения CVD-синтетического алмазного материала, выращенного с использованием нескольких различных процессов, может быть охарактеризована суммами вышеописанных компонентов, с различными коэффициентами значимости для компонентов в различных случаях. Для целей характеристики формы спектра вклады различных компонентов задаются следующими путями.

270 нм: коэффициент поглощения в пике при 270 нм компонента типа Ib измеряют по дрейфу нулевой линии, соединяющей обе стороны спектра Ib с максимумом при 270 нм, которая имеет протяженность приблизительно в диапазоне от 235 нм до 325 нм.

Полоса в области 350 нм: вклад этой полосы в максимальный коэффициент поглощения.

Полоса в области 510 нм: вклад этой полосы в максимальный коэффициент поглощения.

Линейный наклон: вклад компонента «с×λ^-3» в коэффициент поглощения при 510 нм.

В настоящем описании для всех приведенных коэффициентов поглощения, коэффициенты поглощения были измерены нормированием спектров таким образом, чтобы они начинались с 0 см^-1 при 800 нм.

Способ согласно настоящему изобретению в особенности применим для синтетического алмазного материала, более конкретно для CVD-синтетического алмазного материала.

Как отмечено выше, алмазные материалы, которые проявляют отчетливую интенсивность цвета, известны в этой области как «фантазийно» окрашенные алмазы. Другие алмазные материалы, которые не проявляют такого отчетливого цвета, могут быть классифицированы по сортам с использованием шкалы Американского Геммологического Института (GIA). Согласно этой шкале алмазные материалы квалифицируют буквами алфавита от D до Z. Шкала GIA является общеизвестной. Сорт D представляет наивысший уровень градации и наиболее бесцветный алмазный материал по шкале GIA, и Z представляет наинизший уровень градации по шкале GIA, причем алмазный материал сорта Z представляется невооруженному глазу светло-желтым. Алмазные материалы более высокого сорта (такие, которые по шкале GIA находятся ближе к сорту D) в основном считаются более желательными, чем алмазные материалы более низкого сорта (те, которые ближе к сорту Z), причем как в торговле драгоценными камнями, так и в промышленных вариантах применения. Когда цвет алмазного материала является более интенсивным, чем Z, он переходит в область «фантазийных» алмазов, частью которой являются алмазы-хамелеоны.

Существуют три визуальных характеристики цвета, которыми являются цветовой тон, светлота и насыщенность. Эти термины совершенно понятны квалифицированному специалисту в этой области технологии. Вкратце: цветовой тон представляет собой характеристику цвета, которая позволяет квалифицировать его как красный, зеленый, синий, желтый, черный или белый, или промежуточный между ними; светлота представляет собой характеристику цвета, которая определяется степенью сходства с нейтральной ахроматической шкалой, начинающейся с белого цвета и переходящей через серый цвет к черному цвету; насыщенность представляет собой характеристику цвета, которая определяется степенью отличия от ахроматического цвета с такой же светлотой. Насыщенность также представляет собой описательный термин, соответствующий интенсивности цвета. Существует система количественной оценки цвета, известная как «CIE L*a*b*», или упрощенно “CIELAB”, которая определяет насыщенность параметром, известным как С*. Там, где цвет алмазного материала попадает в пределы шкалы GIA, корреляция между значениями С* и уровнями градации GIA соответственно составляет 0=D, 0,5=Е, 1,0=F, 2,0=Н и т.д., для алмаза с круглой бриллиантовой огранкой (RBC), и где насыщенность (С*) определяют по спектру поглощения, измеренному вдоль оси камня на всю глубину материала. На практике все измерения по шкале GIA в настоящем документе приведены для эквивалента драгоценного камня с массой 0,5 карата с круглой бриллиантовой огранкой. Значения С* также применимы для фантазийных окрашенных алмазов.

Изобретение настоящих авторов применимо ко всем цветам алмазных материалов, в том числе алмазных материалов, цвет которых попадает в пределы шкалы GIA от D до Z, и фантазийных алмазов, цвет которых может быть вне пределов шкалы GIA от D до Z.

Воспринимаемый цвет объекта зависит от спектра пропускания/поглощения объекта, спектрального распределения мощности источника освещения и характеристик чувствительности глаза наблюдателя. Координаты хроматичности CIELAB, приведенные в этой патентной заявке, были выведены описанным ниже путем. С использованием стандартного спектра источника D65 освещения и стандартных (красной, зеленой и синей) характеристик чувствительности глаза (G. Wyszecki и W. S. Stiles, издательство John Wiley, New York-London-Sydney, 1967) координаты хроматичности CIE L*a*b* плоскопараллельной пластинки из алмазного материала были выведены из его спектра пропускания с использованием приведенных ниже соотношений, между длинами волн 350 нм и 800 нм, с шагом измерений 1 нм:

S_λ = пропускание при длине волны λ

L_λ = спектральное распределение мощности источника освещения

x_λ = характеристика чувствительности глаза к красному цвету

y_λ = характеристика чувствительности глаза к зеленому цвету

z_λ = характеристика чувствительности глаза к синему цвету

X=∑_λ[S_λx_λL_λ]/Y₀

Y=∑_Λ[S_λy_λL_λ]/Y₀

Z=∑_λ[S_λz_λL_λ]/Y₀

где Y₀=∑_λy_λL_λ

L^*=116(Y/Y₀)^1/3-16 = светлота (для Y/Y₀>0,008856)

a^*=500[(X/X₀)^1/3-(Y/Y₀)^1/3] (для X/X₀>0,008856, Y/Y₀>0,008856)

b^*=200[(Y/Y₀)^1/3-(Z/Z₀)^1/3] (для Z/Z₀>0,008856)

C^*=(a^*2+b^*2)^1/2 = насыщенность

h_ab = arctan(b^*/a^*) = угол цветового тона

Вне пределов Y/Y₀, X/X₀ и Z/Z₀ должны использоваться модифицированные варианты этих уравнений. Модифицированные варианты приведены в техническом докладе, подготовленном Международной комиссией по освещению (Commission Internationale de L'Eclairage) (Colorimetry (1986)).

Можно прогнозировать, как координаты a*b* алмазного материала с данным коэффициентом поглощения спектра будут изменяться при вариации длины оптического пути. Чтобы сделать это, сначала нужно из измеренного спектра поглощения вычесть потери на отражение. Затем поглощение нормируют для внесения поправки на другую длину пути, и вновь добавляют потери на отражение. Затем спектр поглощения может быть преобразован в спектр пропускания, который используют для выведения координат CIELAB для новой толщины. Этим путем можно смоделировать зависимость цветового тона, насыщенности и светлоты от длины оптического пути для понимания того, как цвет алмазного материала с данными абсорбционными характеристиками в расчете на единицу толщины будет зависеть от длины оптического пути.

Величины С* (насыщенности) могут быть подразделены на интервалы насыщенности в единицах 10С* с приписанными им описательными обозначениями, как приведено ниже.

0-10	слабая
10-20	слабая-умеренная
20-30	умеренная
30-40	умеренная-сильная
40-50	сильная
50-60	сильная-очень сильная
60-70	очень сильная
70-80+	чрезвычайно сильная

Как упомянуто выше, авторы настоящего изобретения наблюдали, что цвет некоторого CVD-синтетического алмазного материала может варьировать в пределах цветового диапазона, причем цвет является нестабильным в пределах этого цветового диапазона, и наблюдаемый цвет в любой конкретный момент времени зависит от недавней предыстории алмазного материала.

Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что облучение (проводимое в регулируемом режиме) может быть применено не для сообщения цвета, как использовалось в вышеупомянутом уровне техники, а для сокращения цветового диапазона, в пределах которого может существовать алмазный материал. Это значит, что регулируемое облучение способствует стабилизации цвета алмазного материала независимо от условий окружающей его среды или его недавней предыстории термического воздействия/освещения. В предпочтительных вариантах исполнения авторы настоящего изобретения также нашли, что можно не только стабилизировать цвет, но и улучшить равновесный цвет (как определено ранее), в отношении которого авторы настоящего изобретения подразумевают, что равновесный цвет алмазного материала, который был подвергнут обработке регулируемым облучением, представляет собой более высокий уровень цветовой градации (более близкий к D по шкале GIA, и/или имеющий более низкое значение С*), то есть тот, который в общем считается более желательным цветом (или отсутствием цвета), чем равновесный цвет такого же алмазного материала до регулируемого облучения.

Наблюдения авторов настоящего изобретения показали, что для круглого бриллианта из содержащего азот CVD-синтетического алмазного материала с уровнем градации цвета по шкале GIA, и в частности для круглого бриллианта из содержащего азот CVD-синтетического алмазного материала с исходным уровнем градации цвета в диапазоне от F до Z (соответствующих значениям от 1 до 11 по шкале С*), в особенности для азотсодержащего CVD-синтетического алмазного материала с исходным уровнем градации цвета в диапазоне от I до K по шкале GIA (соответствующих значениям от 2,5 до 3,99 по шкале С*), воздействие излучения, и в частности УФ-излучения, ведет к изменению цвета алмазного материала до более низких уровней градации цвета (то есть с удалением от сорта D по цветовой шкале GIA), тогда как термическая обработка, например, при температуре 525°С в течение одного часа, обусловливает изменение цвета алмазного материала в противоположном направлении к более высоким, в общем более желательным (то есть в сторону сорта D по цветовой шкале GIA) уровням градации цвета. Например, в случае круглого бриллианта из CVD-синтетического алмазного материала с исходным уровнем градации цвета К (С* 3,5-3,99) наблюдали, что воздействие УФ-излучения в течение 20 минут приводит к изменению цвета до более низкого уровня L градации цвета (С* 4-4,49), тогда как последующее нагревание до температуры 525°С в течение 1 часа имеет результатом изменение цвета до более высокого уровня I градации цвета (С* 2,5-2,99), то есть общее изменение уровня градации цвета от L до I (то есть с разницей в 3 уровня градации цвета по шкале GIA, соответственно изменению С* на 1,5). В целом же авторы настоящего изобретения наблюдали, что для любого данного образца CVD-синтетического алмазного материала общее изменение уровня градации цвета при воздействии излучения и затем термической обработки может варьировать на величину вплоть до 1, до 2, до 3, до 4, до 5, даже до 6 уровней градации цвета, измеряемых по шкале GIA (соответствует изменению значения С* на 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5 или даже на 3).

Подобным образом, для фантазийного алмаза (С*>11) изменение значения С* по меньшей мере на 0,5, или для некоторых вариантов исполнения изменение по меньшей мере на 1 или 1,5 или 2, вплоть до 4, 5 или даже 6, может обусловливаться воздействием излучения и затем термической обработкой.

Эта вариация цвета и связанная с нею вариация абсорбционных характеристик электромагнитного спектра синтетического алмазного материала при воздействии излучения (например, света) и нагревания для некоторых вариантов применения является нежелательной. Как будет разъяснено позднее, в то время как наблюдаемый цвет синтетического алмазного материала связан с конкретными дефектами (с конкретной электронной конфигурацией) внутри алмазного материала, которые приводят к поглощению, нестабильность цвета может быть связана с переносом заряда между этими одинаковыми дефектами в кристаллической решетке, причем эти эффекты переноса заряда изменяют спектр поглощения. На практике было обнаружено, что воздействие на алмазный материал любого излучения с энергией выше 2,0 эВ ведет к увеличению поглощения в видимой области спектра, обусловливая изменение цвета алмазного материала до более низкого (в общем рассматриваемого как менее желательного) уровня градации цвета (ближе к Z по шкале GIA, если это применимо, и/или более высокому значению С*). Пока это увеличение может быть устранено простой низкотемпературной (например, ~500°С) термической обработкой, для многих обычных вариантов применения алмазный материал будут обычным путем подвергать воздействию излучения с энергией более 2,0 эВ (например, солнечным светом, флуоресцентными лампами для освещения помещений и т.д.). Это значит, что при этих обычных вариантах применения алмазный материал всегда переходит в состояние, в котором он содержит те конкретные дефекты и связанные с ними специфические электронные конфигурации, которые повышают поглощение алмазного материала в видимой области спектра, приводя к более низким, в основном рассматриваемым менее желательными, уровням градации цвета (ближе к Z, если применима шкала GIA, и/или к более высоким значениям С*). Как упомянуто выше, авторы настоящего изобретения называют это «обычное» состояние алмазного материала, когда алмазный материал подвергают или недавно подвергали воздействию излучения, в особенности излучения с энергией выше 2,0 эВ, как «равновесное состояние» или «равновесное условие», и цвет алмазного материала в этом состоянии как «равновесный цвет».

Когда алмазный материал проявляет нестабильность цвета, это может быть нежелательным для ряда вариантов применения. Подобным образом, тот факт, что «равновесное условие» соответствует наивысшему поглощению в пределах цветового диапазона, в котором алмазный материал нестабилен, также нежелателен для некоторых вариантов применения.

Кроме того, там, где алмазный материал проявляет нестабильность цвета, это, как было разъяснено ранее, также может оказывать влияние на характеристики материалов носителей заряда (например, подвижность носителей заряда), и тем самым материал может проявлять переменную подвижность носителей в зависимости от предыстории алмазного материала. Для некоторых вариантов применения могут быть нежелательными нестабильность подвижности носителей и, например, связанная с этим нестабильность других электронных характеристик алмазного материала.

В качестве примерных вариантов применения, где нежелательна нестабильность цвета и/или нестабильность свойств носителей, и/или тенденция равновесного состояния алмазного материала к соответствию наивысшему поглощению в пределах цветового диапазона, в котором алмазный материал нестабилен, могут быть упомянуты следующие:

(i) Для алмазного материала, используемого в определенных оптических устройствах, таких как рамановские лазеры или как пассивный оптический элемент в высокомощном лазере, работающем в диапазоне длин волн от 225 нм до 1600 нм, желательно, чтобы поглощение было сведено к минимуму и являлось стабильным.

(ii) В электронных устройствах, сделанных из алмазного материала, ключевой показатель производительности относится к подвижности носителей. Подвижность в материалах, которые содержат ионизированные (заряженные) примеси в высоких концентрациях, снижается вследствие рассеяния носителей. Любой процесс, который может вести к изменению числа и типа этих ионизированных примесей, является нежелательным, так как он может обусловливать нестабильность электронного устройства.

(iii) В то время как имеются некоторые исключения в области фантазийных природных алмазов, для алмаза, используемого для декоративных целей, нежелательно проявление нестабильности цвета, в особенности в отношении затруднений, связанных с классификацией такого алмаза.

Как представляется, изменение цвета, наблюдаемое в CVD-синтетическом алмазном материале при воздействии излучения и/или термической обработке, обусловлено изменением зарядового состояния одного или более дефектов в алмазном материале. Как считают, это изменение зарядового состояния возникает вследствие эффекта переноса электрона или другого заряда, имеющего место внутри кристаллической решетки алмаза. Таким образом, нестабильность цвета, которую наблюдают авторы настоящего изобретения, представляется результатом этих переносов электрона или другого заряда.

Без какого бы то ни было ограничения изобретения, возможное объяснение эффектов переноса заряда, которые приводят к изменениям цвета при воздействии излучения и нагревании, является следующим. Нейтральные одиночные замещающие атомы азота (N_S ⁰) действуют как доноры электрона. В результате либо нагревания, либо воздействия излучения в N_S ⁰-центрах происходит термическое или оптическое возбуждение электрона, причем возбужденные электроны улавливаются дефектом иного типа в структуре алмаза, и такие дефектные центры авторы настоящего изобретения будут называть «Х». Этот эффект переноса заряда может быть записан следующим образом:

N _s ⁰ +X↔N _s ⁺ +X ^- (Уравнение 1)

Авторы настоящего изобретения полагают, что воздействие на алмазный материал излучения, в особенности излучения с энергией выше 2,0 эВ, и более конкретно УФ-излучения, вызывает смещение выраженного уравнением равновесия влево, приводя к изменениям спектра поглощения алмазного материала, которые обусловливают более низкий уровень градации цвета (например, ближе к Z по шкале GIA, и соответственно к более высокому значению С*); тогда как термическая обработка алмазного материала приводит к смещению выраженного уравнением равновесия вправо, что имеет результатом изменения спектра поглощения алмазного материала, которые дают более высокий уровень градации цвета (например, ближе к D по шкале GIA, и соответственно к более низкому значению С*). Как представляется, цвет, который наблюдают в алмазном материале, связан с присутствием дефекта Х в кристаллической решетке алмаза, причем заряженный дефект Х^- связан с бесцветным состоянием, или по меньшей мере более бесцветным состоянием.

Более конкретно, авторы настоящего изобретения используют здесь Х для обозначения неизвестного(-ных) дефекта(-тов) в легированном азотом CVD-синтетическом алмазном материале, которые участвуют в процессе переноса заряда. Этот(-ти) дефект(-ты) представляется(-ются) ответственным(-ми) за параметры видимого поглощения, характеризуемые одним или некоторой комбинацией компонентов 350 нм, 510 нм и линейного наклона.

Первый аспект настоящего изобретения представляет способ, включающий этапы, на которых:

а) обеспечивают азотсодержащий алмазный материал, который проявляет измеримое различие по меньшей мере одной из его абсорбционных характеристик в первом и втором состояниях, причем первое состояние имеет место после воздействия излучения, имеющего энергию по меньшей мере 5,5 эВ, и второе состояние возникает после термической обработки при температуре 798 К (525°С).

b) обрабатывают указанный азотсодержащий алмазный материал регулируемым облучением указанного азотсодержащего алмазного материала так, чтобы ввести достаточное количество дефектов в алмазный материал для создания одного или обоих из:

(i) коэффициента поглощения, измеренного при температуре 77 К (-196°С), составляющего по меньшей мере 0,01 см^-1 и не более 1 см^-1 при длине волны 741 нм; и

(ii) коэффициента поглощения, измеренного при температуре 77 К (-196°С), составляющего по меньшей мере 0,01 см^-1 и не более 0,5 см^-1 при длине волны 394 нм;

в соответствии с чем измеримое различие указанных абсорбционных характеристик обработанного облучением алмазного материала в указанных первом и втором состояниях, подвергнутого такому же облучению и термической обработке, как исходный алмаз, сокращается относительно измеримого различия указанных абсорбционных характеристик исходного алмазного материала в указанных первом и втором состояниях.

Когда авторы настоящего изобретения говорят, что алмазный материал проявляет измеримое различие своих абсорбционных характеристик, авторы настоящего изобретения включают любые различия, которые могут быть зарегистрированы. Например, сюда входят численные коэффициенты поглощения алмазного материала при различных длинах волн, и видимые изменения, например изменения цвета, которые могут наблюдаться невооруженным глазом, или с помощью увеличительного оборудования.

Этап, на котором реально выращивают CVD-синтетический алмазный материал, может составлять или может не составлять часть способа согласно вариантам осуществления изобретения. Обеспечение CVD-синтетического алмазного материала может означать выращивание алмазного материала по технологии CVD, или может подразумевать, например, просто выбор предварительно выращенного CVD-алмазного материала.

Под «регулируемым облучением» авторы настоящего изобретения подразумевают применение такого количества излучения, чтобы ввести в алмазный материал указанные дефекты, достаточные для достижения одного или обоих из:

(i) коэффициента поглощения, измеренного при температуре 77 К (-196°С), составляющего по меньшей мере 0,01 см^-1 и не более 1 см^-1 при длине волны 741 нм; и

(ii) коэффициента поглощения, измеренного при температуре 77 К (-196°С), составляющего по меньшей мере 0,01 см^-1 и не более 0,5 см^-1 при длине волны 394 нм.

Авторы настоящего изобретения наблюдали, что для представляющих интерес алмазных материалов согласно настоящему описанию воздействие излучения изменяет по меньшей мере одну из абсорбционных характеристик алмазного материала, изменение возрастает по мере увеличения продолжительности воздействия, и затем, после определенного периода воздействия, выходит на постоянный уровень. Момент времени, в который происходит это «выравнивание», зависит от интенсивности излучения и его энергии. Чтобы провести результативные сравнения алмазных материалов, обработанных способами согласно изобретению, воздействие указанного излучения предпочтительно продолжают до тех пор, пока по существу не перестанет обнаруживаться дальнейшее измеримое изменение указанных абсорбционных характеристик. Например, для алмазного материала, цвет которого является одним из цветов по шкале GIA, период воздействия предпочтительно продолжается, пока алмазный материал не перестанет проявлять дальнейшее изменение уровня градации цвета по шкале GIA, например, так, что последовательные измерения не показывают дальнейшего изменения цвета по шкале GIA. В качестве еще одной меры период воздействия предпочтительно продолжается, пока алмазный материал по существу не перестанет дополнительно изменять свое значение С*, например, таким образом, что последовательные измерения на алмазном материале показывают изменение С* менее 0,5, предпочтительно менее 0,4, более предпочтительно менее 0,3, и даже менее 0,2 или 0,1. Последовательные измерения могут проводиться, например, каждый час, или каждые 20 минут, или каждые две минуты, или каждую минуту, или каждые 30 секунд.

При применении алмазный материал может быть подвергнут воздействию излучения с энергией менее 5,5 эВ, например менее 4,5 эВ, или менее 3,5 эВ, или даже менее 2,5 эВ, и для некоторых алмазных материалов это воздействие излучением с более низкой длиной волны также будет вызывать изменения его абсорбционных характеристик, которые желательно стабилизировать. Такой алмазный материал также проявлял бы изменения своих абсорбционных характеристик, будучи подвергнутым воздействию излучения, имеющего энергию выше 5,5 эВ. Значение 5,5 эВ определяется в этом описании как охватывающее наиболее широкий круг алмазного материала, который проявляет изменения своих абсорбционных характеристик, будучи подвергнутым воздействию излучения.

Квалифицированным специалистам в этой области техники будет понятно, что заряженные частицы, иные, нежели фотоны электромагнитного излучения, также могут вводить в кристаллическую решетку алмаза пары «электрон-дырка» с энергией >5,5 эВ и тем самым влиять на абсорбционные характеристики.