Een mozaïekje van diamant

Het recept om een grote diamant te maken blijkt verrassend eenvoudig. Neem veel kleine diamantjes, polijst ze tot vierkantjes, leg ze tegen elkaar en laat ze chemisch aan elkaar groeien.

Mozaïekgroei, zo noemen onderzoekers van het Research Instituut van Materialen (RIM) aan de KU Nijmegen deze aanpak om grote éénkristallijne diamanten te maken (een eenkristal bestaat uit een enkel doorlopend kristalrooster). Vorig jaar lukte het om twee vierkantjes van elk 2 millimeter met elkaar te laten vergroeien. Met vier entkristallen ging het ook. Onlangs slaagden ze erin om op een stoepje van zeven tegeltjes natuurlijke diamant een dun eenkristal van 0,03 millimeter dikte te maken. Elk plaatje meet 4 millimeter bij 4 millimeter zodat de totale oppervlakte ruim een vierkante centimeter beslaat.

“Dit toont aan dat het groeien van grote oppervlakken diamant mogelijk is”, zegt de Nijmeegse hoogleraar John Giling onder wiens leiding de resultaten werden behaald. Er staan talrijke toepassingen om dit wondermateriaal te wachten zoals snijwerktuigen en speciale optische vensters die infrarood, ultraviolet en zichtbaar licht doorlaten. Een andere toepassing zijn zogenaamde kwart-lambda platen om de polarisatie van hoogvermogen CO-laserbundels te draaien of op te heffen. Giling: “Ook voor de juwelenindustrie zouden grote optisch-zuivere diamanten een welkome aanvulling zijn op natuurlijke diamanten.”

Groeibodem

Volgens Giling is het mogelijk om lagen van een twintigste millimeter van een diamantoppervlak af te pellen. Die plakjes kunnen op hun beurt weer dienen als groeibodem. Op zo'n ondergrond kan men ook elektronische functies in diamant aanbrengen. Diamant heeft net als silicium halfgeleidende eigenschappen en men denkt aan hoogvermogen elektronische componenten uit diamant, omdat het materiaal bestand is tegen temperaturen tot zo'n 700 ß8C.

Synthetische diamantgroei bij lage druk kwam in 1981 onder algemene wetenschappelijke aandacht. Toen reproduceerden de Japanse onderzoeker Matsumoto en zijn medewerkers van het Japanse nationale researchinstituut Nirim, de resultaten van Russische wetenschappers. Zij lieten bij atmosferische druk diamantkristallen groeien in een reactor onder verwarming met een gloeidraad.

Intussen volgen wereldwijd zo'n honderd researchgroepen dezelfde aanpak om met chemical vapour deposition (CVD) heldere koolstofkristallen te maken. Het aantal variaties daarop is groot, maar het is in wezen hetzelfde principe dat de Russen in de jaren zestig al gebruikten. Zij constateerden kristalgroei op een diamantoppervlak bij een temperatuur van rond de 1000 ß8C in een mengsel van waterstof en methaan. Koolstofatomen rangschikken zichzelf onder deze omstandigheden op het diamantoppervlak. Ze breien netjes voort op de ruimtelijke verdeling van het blootliggende koolstof-kristalrooster. CVD werkt, al is het tergend langzaam. De groeisnelheden lopen uiteen van 1 duizendste tot een twintigste millimeter per uur.

Om grote oppervlakken diamant kunstmatig te maken zijn ook grote entkristallen nodig. Het probleem is dat die slechts tegen exorbitante bedragen te krijgen zijn. “Een halve millimeter dik diamanten plaatje met een oppervlak van een vierkante centimeter kost zo'n 25 duizend gulden”, zegt de Nijmeegse onderzoeker Ger Janssen. “Daar houdt prijslijst op. Als je er tien van bestelt moeten ze er de hele wereldmarkt voor afstropen.”

Daarom wil men van vele kleintjes één grote maken. Het RIMwerkt daarbij in een Brite-Euram project samen met het LIMHP-Laboratorium in Parijs en onderzoekers van het CSEM uit het Zwitserse Neuchâtel.

Hoe komt het eigenlijk dat er nog niemand een kanjer van een diamant heeft laten groeien? De reden zit hem in de hoge precisie waarmee het diamanttegelleggen moeten gebeuren. Om het kristalnetwerk op elkaar te laten aansluiten moet de driedimensionale kristaloriëntatie van de diamanten waaruit de mozaïektegeltjes worden gezaagd eerst exact met röntgendiffractie worden bepaald.

Vervolgens moeten de plaatjes de perfectie bijna benaderen. “De spleet tussen de tegeltjes mag nooit groter zijn dan 5 micron”, zegt Janssen (één micron is één duizendste millimeter). Alleen dan sneeuwt de scheiding naadloos onder. Sumitomo blijkt mozaïekgroei al in een patent te hebben vastgelegd. In de documenten is een plaatje te vinden waarop 25 gelegde diamanttegels staan getekend. “Dat kan net zo goed een papieren octrooi zijn”, zegt Giling. “Ze hebben nog nooit wat laten zien.”

Niettemin is Japan zeer actief op dit terrein. Onderzoeker Janssen wijst erop dat er per jaar zo'n duizend patenten op diamantgebied in Japan verschijnen. Behalve universiteiten lopen er ook researchprojecten bij grote industrieën als NEC, Kobe Steel en Mitsubishi Materials. Afgelopen november meldde The Nikkei Weekly dat MITI, het Japanse ministerie voor handel en industrie, de dunne film diamant-technologie als strategisch belangrijk heeft aangemerkt.

Tot nu toe is de meest economische manier om synthetische diamant te maken het nabootsen van de geologische processen waarbij natuurlijk diamant, één tot drie miljard jaar geleden diep in de aardkorst, ontstond. In een reusachtig apparaat met een piepkleine reactiekamer bij een temperatuur van 1550 ß8C en een druk van 60.000 bar kan grafiet of diamantpoeder met een snelheid van een tiende millimeter per uur uitgroeien tot grotere diamanten met doorsnedes van 3 tot 8 millimeter. Deze techniek werd al in 1953 ontwikkeld door het Zweedse bedrijf ASEA en het Amerikaanse General Electric. Een derde van de diamantconsumptie wordt zo geproduceerd.

Op deze manier maakte het De Beers Diamond Research Laboratory in 1990 's werelds grootste synthetische diamant. Het kostte 500 uur om de steen te laten uitgroeien tot een gewicht van 14,2 karaat (één karaat is 0,2 gram). Dat is nog een bescheiden gewicht vergeleken met de 3106 karaat van de Culliman, de grootste natuurlijke diamant.

Niet de juwelenmarkt, maar de industrie neemt de hogedruk-synthese diamanten af. Ze zijn geel gekleurd door stikstof-verontreinigingen. Het is gereedschapmakers dan ook niet te doen om de kleur, maar om de uitzonderlijke mechanische eigenschappen. Een harder materiaal is nog niet gevonden en de industrie maakt er dankbaar gebruik van om er harde stoffen mee te bewerken.

Suikerklontje

Ook CVD-diamant rukt op in gereedschappen. Het laten groeien van grote oppervlakken diamant op andere materialen is de laatste jaren tot ontwikkeling gekomen. Dit zijn geen heldere eenkristallen, maar laagjes fijne kristalletjes die er door de lichtverstrooiing meer uitzien als een suikerklontje. De bedrijven Crystallume uit Santa Clara en Norton Diamond Film uit Northboro (MA) maken er onder meer boren, beitels en optische vensters mee. Ze bedekken beitelkoppen en frezen van het harde wolfraamcarbide met behulp van CVD met een nog hardere laag polykristallijn diamant.

Er kunnen tegenwoordig polykristallijne schijven diamant met diameters van 5 centimeter worden gemaakt. “De procestechnologie daarvoor is pas de laatste vier jaar ontwikkeld”, schrijft de Brad Williams, CVD-diamant specialist bij GE Superabrasives in Worthington, Ohio, afgelopen november in Photonics Spectra. Williams: “Diamant-optiek heeft in agressieve chemische omgevingen moeilijke problemen opgelost.”

Laagjes van fijne diamantkristallen past men ook toe als heat sinks. Diamant is de beste warmtegeleider, het verspreidt de hitte maar liefst vijf keer beter dan koper. Met heat sinks houdt men bijvoorbeeld telecommunicatielasers koel die enkele tientallen watts produceren in een volume van enkele kubieke millimeters.

Voor talloze toepassingen zouden diamanten uit één kristal beter uitkomen. CVD heeft daarbij als voordeel dat er kristalheldere diamanten gecontroleerd mee zijn te fabriceren. Met lichte verontreinigingen kunnen de eigenschappen worden ingebracht die voor elektronische functies nodig zijn. Er bestaan al toepassingen waarin de elektronische eigenschappen van diamant worden uitgebuit. Het Japanse bedrijf Semiconductor Energy Laboratory (SEL) maakte met dunne diamantfilms een foto-elektrische detector voor ultraviolet licht (Technieuws, vol. 32, nr 1). Zo'n sensor zet UV-straling direct om in elektriciteit, op dezelfde manier als zonnecellen stroom uit licht opwekken.