本发明涉及单晶金刚石的制造方法和单晶金刚石。
背景技术：
1、工业用中使用的金刚石颗粒通常以高温高压法合成。合成时使用的原料通常使用石墨(graphite)和熔融(也称为催化剂、溶媒、溶剂)金属(或它们的合金和碳化物)来进行。例如专利文献1中记载了如下得到的单晶金刚石：其通过提高12c的浓度，从而降低杂质浓度、且不可避免的杂质中不含ni。根据同一文献，据说：杂质浓度低因此示出高硬度、且杂质中不含ni，从而硬度的温度依赖性得到改善。该单晶金刚石的合成基于在熔融金属的存在下生成金刚石颗粒的熔融析出理论而进行。
2、另一方面，研究了以固体状态合成金刚石颗粒而不使用金属催化剂的方法。例如专利文献2中公开了一种金刚石颗粒的制造方法，所述制造方法包括如下步骤：使饱和非环式烃或一元醇浸渗于通过爆炸合成而得到的纳米金刚石的粉末(detonation nanodiamond、以下，简称为“dnd”)中，将得到的组合物保持在5～8gpa的静压和1300～1800℃的温度下10～60秒。如此，近年来，高温高压法的金刚石颗粒的合成中，揭示了未必需要熔融金属的方法。
3、现有技术文献
4、专利文献
5、专利文献1：日本特开2013-202446号公报
6、专利文献2：国际公开2015/038031号
7、专利文献3：国际公开2018/101347号
技术实现思路
1、发明要解决的问题
2、金刚石需要如下工序：以通过使高纯度的烃气体进行热裂化而得到的碳材料为碳源，通过高温高压法来合成金刚石，从所合成的金刚石中切出晶种，以所切出的晶种和不含ni的金属溶媒为原料，以高温高压法使单晶金刚石生长。然而，专利文献1中记载的发明中，需要进行2次高温高压法，且需要抽出良质的晶种存在的区域并切出，因此，难以实现所制造的金刚石的低价格化。
3、另外，专利文献1中记载了如下方案：作为用于合成单晶金刚石的原料，使用fe-co-ti合金作为金属催化剂。然而，使用金属溶媒制造单晶金刚石时，无法避免催化剂中的元素以原子水平残留在金刚石中的情况。金属催化剂中的元素作为杂质残留在单晶金刚石颗粒内时，晶格的排列变得不规则，而且还能成为缺陷的原因，因此，即使不含ni，单晶金刚石的硬度也会劣化。
4、进而，研磨材料、磨削材料还要求耐久性使其能耐受长时间的使用。因此，单晶金刚石的硬度即使高，破碎强度差的情况下，研磨速度也容易降低，用于磨石的情况下，耐久性变差。
5、另外，专利文献2中公开了如下方案：使用dnd在短时间内合成结晶性金刚石。不清楚该结晶性金刚石是单晶金刚石还是多晶金刚石，但金刚石颗粒的尺寸为30～250nm，因此认为，大概可能制造了单晶金刚石颗粒。然而，使用金刚石作为原料，因此，鉴于其表面状态的稳定性，认为难以在短时间内合成单晶金刚石颗粒。对于以专利文献2中记载的发明合成的金刚石颗粒，假定为多晶金刚石的情况下，与以专利文献1中记载的发明合成的金刚石颗粒相比，有耐久性进一步差的担心。如果使用dnd作为原料，则耗费制造成本。另外，如果想要强制地制造单晶金刚石颗粒，则认为进一步需要高压、高温、长时间下的合成条件，量产性变差。
6、本发明的课题在于，提供：能廉价地且在短时间内合成耐久性优异的单晶金刚石的单晶金刚石的制造方法和单晶金刚石。
7、用于解决问题的方案
8、从制造能廉价地且在短时间内合成的单晶金刚石的观点出发，本发明人等首先考察了以专利文献2中记载的制造方法制造的金刚石颗粒的组织。其结果得到了如下见解：合成后晶界也残留在dnd间，专利文献2中记载的金刚石颗粒为多晶金刚石。因此，为了在短时间内制造单晶金刚石颗粒，需要不使用金刚石颗粒作为原料。
9、因此，本发明人等研究了：如专利文献1中记载那样，不使用金属催化剂作为原料，进而如专利文献1中记载那样，也不使用金刚石颗粒作为原料，合成单晶金刚石的方法。此处，作为原料中不含金属催化剂、金刚石颗粒的合成方法，例如专利文献3中公开了，仅以石墨为原料来合成多晶金刚石颗粒的例子。然而，专利文献3中，金刚石颗粒的粒径在实施例中仅得到了10～100nm左右的微小的金刚石。因此，为了作为磨粒使用，必须将微小的金刚石烧结，为了制造多晶金刚石，制造工序变得复杂，无法抑制价格。另外，即使将多晶金刚石烧结，也存在晶界，因此，耐久性差。
10、本发明人等为了以高温高压法合成微米级的单晶金刚石而进行了深入研究。为了石墨作为单晶金刚石而生长，需要投入在高温高压环境下石墨成为转化成单晶金刚石的起点的原料。另外认为，如果原料本身也嵌入到单晶金刚石，则可以充分避免晶格畸变、缺陷。
11、此处认为，一直以来使用的金属催化剂在熔融时容易润湿石墨，使石墨的溶解速度上升，因此，对从石墨向金刚石的转化是有效的。然而，如前述、金属催化剂残留在单晶金刚石颗粒内，因此，妨碍破碎强度的改善。另外，石墨通常为六方晶系的晶体，为了使碳原子取向成属于等轴晶系的晶体的金刚石，需要较大的取向能，难以在短时间内制造金刚石。
12、本发明人等进行了原料的再次研究使得金刚石的制造中使用的原料直接有助于金刚石的生长。作为直接有助于单晶金刚石的生长的原料，敢于使用担心高温高压法中气化所导致的孔隙的形成的碳化合物和无定形碳。其结果，预料不到的是得到了如下见解：在短时间内合成晶格畸变、缺陷少的微米级的单晶金刚石。进而还得到了如下见解：原料的碳是无定形碳而不是进行了结晶的石墨，可以在短时间内制造单晶金刚石，因此，低价格化的实现成为可能。
13、此外得到了如下见解：得到的单晶金刚石颗粒稍残留有源自碳化合物的晶核和/或晶体缺陷。得到了如下见解：晶核、晶体缺陷即使残留，晶体取向也在颗粒整体中一致，所合成的颗粒为单晶金刚石。另外得到了如下见解：如此合成的单晶金刚石不使用金属催化剂，因此纯度极其高、且分解后的碳化合物的碳以外的成分被释放至外部而不残留在单晶金刚石颗粒内，因此，晶体内的杂质极其少。与此同时，还得到了具备高的耐久性的见解。
14、根据这些见解得到的本发明如下所述。
15、(1)一种单晶金刚石的制造方法，其特征在于，其为使用高温高压法的单晶金刚石的制造方法，使由无定形碳和碳化合物构成的原料暴露于碳的相平衡图中金刚石的热力学稳定区域的压力和温度下，从而合成金刚石。
16、(2)根据上述(1)所述的单晶金刚石的制造方法，其中，无定形碳为炭黑。
17、(3)根据上述(1)或上述(2)所述的单晶金刚石的制造方法，其中，热力学稳定区域的压力为5～10gpa、温度为1300～1800℃。
18、(4)根据上述(1)～上述(3)中任一项所述的单晶金刚石的制造方法，其中，原料被暴露于前述热力学稳定区域的时间为1～300秒。
19、(5)根据上述(1)～上述(4)中任一项所述的单晶金刚石的制造方法，其中，碳化合物为有机化合物。
20、(6)根据上述(5)所述的单晶金刚石的制造方法，其中，有机化合物为多元醇。
21、(7)根据上述(5)或上述(6)所述的单晶金刚石的制造方法，其中，构成有机化合物的碳具有sp3杂化轨道。
22、(8)根据上述(1)或上述(4)所述的单晶金刚石的制造方法，其中，碳化合物为季戊四醇。
23、(9)一种单晶金刚石，其具备源自碳化合物的晶核和/或晶体缺陷。
24、(10)根据上述(9)所述的单晶金刚石，其中，碳化合物为有机化合物。
25、(11)根据上述(10)所述的单晶金刚石，其中，有机化合物为多元醇。
26、(12)根据上述(11)所述的单晶金刚石，其中，构成有机化合物的碳具有sp3杂化轨道。
27、(13)根据上述(9)所述的单晶金刚石，其中，碳化合物为季戊四醇。
28、(14)根据上述(9)～上述(13)中任一项所述的单晶金刚石，其平均粒径为0.25～50μm以下。
1.一种单晶金刚石的制造方法，其特征在于，其为使用高温高压法的单晶金刚石的制造方法，
2.根据权利要求1所述的单晶金刚石的制造方法，其中，所述无定形碳为炭黑，所述碳化合物为脂肪族烃、醇和多元醇中的至少1种。
3.根据权利要求2所述的单晶金刚石的制造方法，其中，所述脂肪族烃为聚乙烯，所述醇为甲醇，所述多元醇为季戊四醇或木糖醇。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的单晶金刚石的制造方法，其中，在拉曼光谱中在1332cm-1附近存在峰。
5.一种单晶金刚石，其特征在于，其是通过权利要求1～4中任一项所述的单晶金刚石的制造方法而制造的。
6.根据权利要求5所述的单晶金刚石，其具备源自碳化合物的晶核和/或晶体缺陷。
7.根据权利要求5或6所述的单晶金刚石，其具有平滑的晶面。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的单晶金刚石，其平均粒径为0.25～50μm以下。
9.根据权利要求5～7中任一项所述的单晶金刚石，其平均粒径为1～30μm。
