Werkstoffe 16.04.2004, 18:29 Uhr

Forscherteams feilen am ultraharten Industriediamant

VDI nachrichten, Düsseldorf, 16. 4. 04 -Hochdruckzellen in Pressen mit Diamantstempeln ahmen Bedingungen nach, wie sie z. B. im Erdmittelpunkt bei 360 GPa, also 3,6 Mbar, herrschen. Bei solchen und höheren Drücken ändern sich die Atomanordnungen; erforscht werden so Phasenübergänge für Supraleiter. Um von Naturdiamant abzukommen, modifizierten US-Wissenschaftler synthetisch gewachsene Einkristalle. Das Verfahren eignet sich auch für Schmuckdiamanten.

Groß wie ein Taubenei, geschliffen 108 Karat schwer: Der legendäre Kohinoor gehört zu den britischen Kronjuwelen. Diamanten wie dieser könnten bald viel von ihrer Einzigartigkeit verlieren, denn die Produktion synthetischer Steine wurde verfeinert. „Wir stellen Diamanten von 5 ct her, aber in Zukunft streben wir 100-Karäter an, also in cm-Größe“, erklärt Russell Hemley vom Geophysiklabor der Carnegie-Stiftung in Washington. 1 Karat, abgekürzt 1ct, entspricht dem Gewicht eines Samenkorns des Johannisbrotbaums und ist heute auf 0,2 g normiert.
Wissenschaftler und Ingenieure sind vor allem an Härte und Transparenz von Diamanten interessiert. Sie brauchen die Kohlenstoffkristalle, um in Hochdruckpressen Druck- und Temperaturverhältnisse wie im tiefen Erdinneren zu erzeugen. Die gezüchteten Diamanten sind für größere Stempel gedacht als bisherige aus Natursteinen. Denn für ihre Experimente brauchen die Forscher perfekte Produkte größter Reinheit. „Die sind teuer und daher klein“, so der Geophysiker, „deshalb sind auch unsere Proben sehr klein.“
Gemesis, ein kleines Unternehmen aus Florida, peilt zwar den Schmuckmarkt an, bescheinigt aber jedem Stein den synthetischen Ursprung. Der Dritte im Bunde, Apollo Diamond aus Massachusetts, will mit Bor dotierten Diamant als wärmefeste und leistungsfähigere Alternative zum Silizium etablieren. Der Kohlenstoffkristall verträgt höhere Betriebstemperaturen und die Boratome im Kristallgitter verwandeln den Isolator in einen Halbleiter. Inzwischen haben Forscher sogar herausbekommen, wie man P- und N-Halbleiter erzeugt.
Künstliche Diamanten werden bereits seit einem halben Jahrhundert bei hohem Druck und hohen Temperaturen hergestellt. Doch so erhielt man bisher nur kleine Kristalle. Gemesis hat dieses Verfahren verbessert. Die beiden anderen Teams stellen ihre Diamanten dagegen mit Hilfe der Gasphasenabscheidung CVD her. Wasserstoff und Methan samt Zuschlaggase werden in einem Plasma stark erhitzt und der Kohlenstoff aus dem Methan wird auf einen Saatkristall abgeschieden.
Mit diesem Verfahren gelangen bisher nur Schichten aus vielen kleinen Kristallen. Polykristalline Diamanten sind zwar für spanende Werkzeuge wie geschaffen, für die Halbleiterbranche jedoch weniger, da der Elektronenfluss an den Korngrenzen der einzelnen Kristalle unterbrochen wird. Diese Korngrenzen sind auch natürliche Bruchlinien, so dass konventionelle Diamantschichten nicht für Hochdruckeinsätze geeignet sind.
Sowohl Apollo-Diamond als auch die Geophysiker der Carnegie-Stiftung haben das Verfahren so weit verbessert, dass auch große Einkristalle möglich sind. „Die Temperaturkontrolle während des Wachstumsprozesses ist entscheidend“, erklärt Russell Hemley. So entstanden fast perfekte, schleifbare Diamantkristalle von derzeit bis zu 5 mm Dicke. Eine anschließende Hochdruck-Hochtemperaturbehandlung verlieh den Kristallen eine Mohs“sche Härte, die, so schätzen die Forscher, rund um die Hälfte über der des Naturdiamanten liegt.
In der Schmuckindustrie könnte das Image „Kunstdiamant“ ein Nachteil sein, in der industriellen Anwendung zählt dagegen das Preis-Leistungsverhältnis: „Auch wenn es technisch beeindruckend ist, wo ist das Einsatzprofil?“, fragt etwa Peter Feuchter, Geschäftsführer des Diamantwerkzeugherstellers Mößner in Pforzheim. Bei Werkzeugen oder selbst Hochdruckpressen in der Fertigung seien heutige synthetische und natürliche Diamanten konkurrenzfähig. Einzig in der Schwerlasthärteprüfung, bei Belastung mit 1 t und mehr, sieht er derzeit ein kleines Einsatzgebiet.
„Um die optischen oder thermischen Eigenschaften von Diamant zu nutzen, reichen auch polykristalline Schichten aus“, ergänzt Prof. Peter Koidl vom Freiburger Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik das solche Schichten für Optoelektronik und Lasertechnik entwickelt.
Die Hochdruck-Gruppe um Prof. Mohsen Abd-Elmeguid an der Universität Köln hingegen untersucht z. B. die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern, etwa elektronischer Transport und Magnetismus, die zunehmend an Bedeutung gewinnen. Dadurch werden „neue Zustände“ im Festkörper entdeckt und theoretische Modelle kritisch überprüft. „Oxidische, elektrisch nicht leitende Materialien (Isolatoren) werden unter hohem Druck metallisch leitfähig und werden in einigen Verbindungen sogar supraleitend. Darüber hinaus werden magnetisch ordnende Materialien unter hohem Druck unmagnetisch und umgekehrt“, erläutert Prof. Abd-Elmeguid.
Mit ihren Diamanthochdruckzellen konnten die Forscher am amerikanischen Carnegie-Institut bereits Drücke von 550 GPa (5,5 Mbar) erzielen. Allerdings können nur die reinsten Diamanten verwendet werden, so dass die Probenmengen auf ca. 1 mm3 beschränkt bleiben. Mit künstlichen Kristallen könnte sich das ändern. In ersten Experimenten mit den großen Kunst-Einkristallen haben die Carnegie-Forscher bereits Drücke von rund 200 GPa erreicht. Das entspricht etwa einer Tiefe von 3500 km, nahe am flüssigen Erdkern.HOLGER KROKER/KÄM

 

Ein Beitrag von:

  • Holger Kroker

  • Siegfried Kämpfer

    Ressortleiter Produktion VDI nachrichten. Fachthemen: Produktionstechnik, Maschinenbau, Fabrikautomatisierung.

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