特表 2024-546783 ルミネッセンスダイヤモンド及びその作製方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-12-26

(54)【発明の名称】ルミネッセンスダイヤモンド及びその作製方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 32/26 20170101AFI20241219BHJP

   C04B 35/528 20060101ALI20241219BHJP

   B01J 23/04 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

C01B32/26

C04B35/528

B01J23/04 M

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024534613

(86)(22)【出願日】2022-12-08

(85)【翻訳文提出日】2024-08-08

(86)【国際出願番号】 US2022052223

(87)【国際公開番号】W WO2023107602

(87)【国際公開日】2023-06-15

(31)【優先権主張番号】63/287,341

(32)【優先日】2021-12-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/374,035

(32)【優先日】2022-08-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】502210208

【氏名又は名称】シュルンベルジェ テクノロジー ビー ブイ

【氏名又は名称原語表記】Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｐａｒｋｓｔｒａａｔ ８３－８９，２５１４ ＪＧ Ｔｈｅ Ｈａｇｕｅ，Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100119013

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 一夫

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100107537

【弁理士】

【氏名又は名称】磯貝 克臣

(72)【発明者】

【氏名】バオ ヤーホワ

(72)【発明者】

【氏名】ベルナップ ジェイ ダニエル

【テーマコード（参考）】

4G146

4G169

【Ｆターム（参考）】

4G146AA04

4G146AB01

4G146AC02A

4G146AC27A

4G146AC30A

4G146BA01

4G146BC11

4G146BC34A

4G146BC42

4G146BC43

4G146CB11

4G169AA02

4G169BB16A

4G169BC02A

4G169CB81

4G169DA04

4G169EA01X

(57)【要約】

ルミネッセンスダイヤモンドは、ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積に高圧／高温（ＨＰＨＴ）条件を受けさせて作製される。圧力装置及び／または圧力セルは、ＨＰＨＴ条件中にダイヤモンド体積に差圧または非対称圧力を加えるように特別に構成される。これにより、ダイヤモンド砥粒は、差ひずみを受け、差ひずみがダイヤモンド砥粒の塑性変形度を高め、窒素空孔中心の形成を増加させる。このようなプロセスによって形成され、差圧を受けたダイヤモンドペレットは、１より大きいアスペクト比またはアスペクト比の変化を有することができる。ＨＰＨＴプロセスの温度が１，８００℃以下であることにより、所望の窒素の移動が促進され、ダイヤモンドペレット内でＮＶＮ及びＮ３中心よりもＮＶ中心の形成が優先的に促進され、何らかの他のＨＰＨＴプロセスによって形成されたダイヤモンドペレットよりも大きい、赤色波長スペクトル内の発光度が得られる。
【選択図】図１－１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ルミネッセンスダイヤモンドを作製する方法であって、
前駆体ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積を圧力セル内に配置する工程と、
前記圧力セルが高圧／高温条件を受けて、差ひずみを受ける１つ以上のダイヤモンドペレットを形成する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記圧力セルが高圧／高温条件を受ける工程は、前記前駆体ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積に軸方向圧力及び半径方向圧力を加える工程を含み、
前記軸方向圧力は、前記半径方向圧力とは異なり、前記１つ以上のダイヤモンドペレット上に前記差ひずみを与える
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記軸方向圧力は、前記半径方向圧力より大きく、
結果として得られる前記１つ以上のダイヤモンドペレットは、軸方向に負のひずみ、及び半径方向に正のひずみを有する
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記半径方向圧力は、前記軸方向圧力より大きく、
前記１つ以上のダイヤモンドペレットは、半径方向に負のひずみ、及び軸方向に正のひずみを有する
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。

【請求項5】

前記圧力セルが高圧／高温条件を受けることに起因する前記１つ以上のダイヤモンドペレットは、半径方向寸法と軸方向寸法との間で測定された、１より大きいアスペクト比を有する、またはアスペクト比の変化を受ける
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記圧力セルが高圧／高温条件を受ける工程は、前記圧力セルを使用して、前記前駆体ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積上に前記半径方向圧力とは異なる軸方向圧力を加える工程を含む
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。

【請求項7】

前記圧力セルが高圧／高温条件を受ける工程は、圧力装置を使用して前記圧力セルに圧力による力を加える工程を含み、
前記圧力装置は、前記圧力セル上に半径方向圧力とは異なる軸方向圧力を加えるように構成される
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。

【請求項8】

前記圧力セルが高圧／高温条件を受ける工程は、１，８００℃以下の温度で実行される
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記圧力セルが高圧／高温条件を受ける工程は、前記ダイヤモンド砥粒に塑性変形を受けさせて、窒素空孔中心の形成を促進する空孔を生成させる工程を含み、
結果として得られる前記ダイヤモンドペレットは、高圧／高温条件中に非差ひずみを受けたダイヤモンドペレットよりも大きい赤色波長スペクトル内のルミネッセンスを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項10】

ダイヤモンドペレットであって、
前駆体ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積が高圧／高温条件を受けることで当該ダイヤモンドペレットが差ひずみを受けるように形成され、
ＮＶＮ中心、Ｎ３中心、またはＮＶＮ中心及びＮ３中心の組み合わせ、と比較した場合、より大きい数または濃度のＮＶ中心を有する窒素空孔中心を備える
ことを特徴とするダイヤモンドペレット。

【請求項11】

前記ダイヤモンドペレットは、軸方向または半径方向寸法のうちの１つに沿って取られる正のひずみを有し、前記軸方向または半径方向寸法のうちのもう１つに沿って取られる負のひずみを有する
ことを特徴とする請求項１０に記載のダイヤモンドペレット。

【請求項12】

前記ダイヤモンドペレットは、半径方向寸法と軸方向寸法との間で測定された、１より大きいアスペクト比を有する
ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のダイヤモンドペレット。

【請求項13】

前記ダイヤモンドペレットは、緑色波長スペクトルよりも赤色波長スペクトルの内でより大きい発光度で発光する
ことを特徴とする請求項１０または請求項１１もしくは１２に記載のダイヤモンドペレット。

【請求項14】

ダイヤモンドペレットを作製するための方法であって、
ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積が高圧／高温プロセスを受けて、前記ダイヤモンドペレットを製造する工程を含み、
前記高圧／高温プロセス中に、前記ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積は、半径方向圧力とは異なる軸方向圧力を含む差圧を受け、
前記差圧は、前記軸方向及び半径方向圧力がほぼ等しくなる、高圧／高温プロセスよりも大きい塑性変形度を前記ダイヤモンドペレット内に引き起こす
ことを特徴とする方法。

【請求項15】

前記差圧は、前記ダイヤモンドペレットに、１つの寸法では正、及び別の寸法では負である差ひずみを受けさせる
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記ダイヤモンドペレットは、ＮＶＮ中心、Ｎ３中心、またはＮＶＮ中心及びＮ３中心の両方、よりも大きい数または濃度のＮＶ中心を有する
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項17】

前記ダイヤモンドペレットは、緑色波長スペクトルよりも赤色波長スペクトル内でより大きい発光量を発光する
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項18】

前記ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積は、前記差圧を与えるように構成された圧力セル内にある
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項19】

前記ダイヤモンド砥粒の体積は、圧力装置に入れられた圧力セル内にあり、
前記圧力装置は、前記差圧の少なくとも一部を与えるように構成される
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項20】

前記ダイヤモンドペレットは、前記ダイヤモンドペレットの垂直方向寸法の間で測定された１より大きい、アスペクト比を有する、またはアスペクト比の変化を受ける
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

【請求項21】

高圧／高温プレスに使用するための圧力セルであって、
少なくとも１つの軸方向構成要素と、
少なくとも１つの半径方向構成要素と、
前記少なくとも１つの軸方向構成要素及び前記少なくとも１つの半径方向構成要素によって画定された内部チャンバと、
を備え、
前記少なくとも１つの軸方向構成要素及び前記少なくとも１つの半径方向構成要素は、前記少なくとも１つの軸方向構成要素及び前記少なくとも１つの半径方向構成要素の外面上への対称圧力から、前記内部チャンバ上に非対称的な軸方向及び半径方向圧力を生じるように構成される
ことを特徴とする圧力セル。

【請求項22】

前記少なくとも１つの軸方向構成要素は、非圧縮性材料を含む
ことを特徴とする請求項２１に記載の圧力セル。

【請求項23】

前記少なくとも１つの半径方向構成要素は、ルースパウダーまたは造粒材料を含む
ことを特徴とする請求項２１または請求項２２に記載の圧力セル。

【請求項24】

高圧／高温プレスであって、
前記プレス内の圧力セル上で、軸方向圧力が半径方向圧力とは異なるように非対称圧力を加えるように構成された加圧構成要素を含む
ことを特徴とする高圧／高温プレス。

【請求項25】

前記加圧構成要素は、
アンビル、
加熱ユニット、または
電源、
のうちの少なくとも１つを含む
ことを特徴とする請求項２４に記載の高圧／高温プレス。

【請求項26】

温度センサ、
圧力センサ、または
前記圧力セル内の圧力もしくは温度のうちの少なくとも１つを制御するように配置されて設計されたコントローラ、
のうちの少なくとも１つを更に含む
ことを特徴とする請求項２４または請求項２５に記載の高圧／高温プレス。

【請求項27】

ルミネッセンスダイヤモンドペレットを作製する方法であって、
前駆体ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積を圧力セル内に配置する工程と、
前記圧力セルが高圧／高温条件を受けて、１つ以上のルミネッセンスダイヤモンドペレットを形成する工程であって、前記ルミネッセンスダイヤモンドペレットは、約８０ｗｔ％を超えるダイヤモンド含有量を有する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。

【請求項28】

前記ルミネッセンスダイヤモンドペレットは、約８０～９５ｗｔ％のダイヤモンド含有量を有する
ことを特徴とする請求項２７に記載の方法。

【請求項29】

前記ルミネッセンスダイヤモンドペレットは、約８５ｗｔ％のダイヤモンド含有量を有する
ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。

【請求項30】

前記ルミネッセンスダイヤモンドペレットを、約１００ナノメートル以下の平均粒子径を有するナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子に縮小させる工程
を更に備えたことを特徴とする請求項２７に記載の方法。

【請求項31】

前記ナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子を溶液中で洗浄する工程
を更に備え、
前記溶液は、前記触媒材料を可溶化して、そこから除去する
ことを特徴とする請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

前記水性懸濁液は、緑色波長スペクトル内の約５２０～５５０ナノメートルの間の最大光発光強度を有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

前記洗浄されたナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子を、約４００～５５０℃の温度で熱処理する工程
を更に備えたことを特徴とする請求項３０に記載の方法。

【請求項34】

前記ナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子の水性懸濁液を形成する工程
を更に備え、
前記水性懸濁液は、前記懸濁液の総重量に基づいて約０．１ｗｔ％のルミネッセンスダイヤモンドを含み、
前記懸濁液は、約５１０ナノメートルより大きい、４７３ナノメートルのレーザーの励起下の緑色波長スペクトル内の最大光発光強度を有する
ことを特徴とする請求項３０に記載の方法。

【請求項35】

ナノメートルサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子の水性懸濁液を作製する方法であって、
高圧／高温プロセスによって形成されたルミネッセンスダイヤモンドペレットのサイズを、ナノメートルサイズの平均粒子径を有するルミネッセンスダイヤモンド粒子まで縮小させる工程であって、前記ルミネッセンスダイヤモンドペレットは、前記ルミネッセンスダイヤモンドペレットを作製するために使用されたダイヤモンド及び触媒材料の総重量に基づいて、８０～９５ｗｔ％のダイヤモンド含有量を有する工程と、
除去のために前記触媒材料を可溶化する材料によって前記ナノメートルサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子を洗浄する工程と、
前記洗浄されたナノメートルサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子を熱処理する工程と、
前記熱処理されたナノメートルサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子の量を水と組み合わせて、ナノメートルサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子の水性懸濁液を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。

【請求項36】

前記縮小させる工程中に、前記ルミネッセンスダイヤモンドペレットは、約１００ナノメートル以下の平均粒子径を有するルミネッセンスダイヤモンドまで縮小される
ことを特徴とする請求項３５に記載の方法。

【請求項37】

前記ルミネッセンスダイヤモンドペレットは、約８５ｗｔ％のダイヤモンド含有量を有する
ことを特徴とする請求項３５に記載の方法。

【請求項38】

前記熱処理する工程中に、前記ナノメートルサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子は４００～５５０℃の温度を受ける
ことを特徴とする請求項３５に記載の方法。

【請求項39】

前記触媒材料は、炭酸ナトリウムであり、
前記洗浄する工程は、前記ルミネッセンスダイヤモンド粒子を水に曝露する工程を含む
ことを特徴とする請求項３５に記載の方法。

【請求項40】

前記ナノメートルサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子の水性懸濁液は、前記水性懸濁液の総重量に基づいて、約０．１ｗｔ％のナノメートルサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子を含む
ことを特徴とする請求項３５に記載の方法。

【請求項41】

前記水性懸濁液は、約５１０ナノメートルを超える、４７３ナノメートルのレーザーの励起下で緑色波長スペクトル内の最大光発光強度を有する
ことを特徴とする請求項４０に記載の方法。

【請求項42】

前記水性懸濁液は、緑色波長スペクトル内の約５２０～５５０ナノメートルの最大光発光強度を有する
ことを特徴とする請求項４１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２１年１２月８日に出願された米国特許出願第６３／２８７，３４１号、及び２０２２年８月３１日に出願された米国特許出願第６３／３７４，０３５号の利益及び優先権を主張するものであり、これらの出願は、それらの全体がこの参照によって本明細書に援用されている。

【背景技術】

【0002】

レーザー注入蛍光法は、観察のために組織、細胞、及び生体分子を個別に探索することを通じて、生物システムが細胞、細胞内、または分子のレベルでどのように機能するかをより良く理解するために採用される既知の技術である。一例では、レーザー注入蛍光法は、例えば、内臓マッピング、細胞撮像などのためのインビボ生物センサなど、生体細胞などの中の単一分子または粒子を撮像して追跡するために適用され得る。レーザー注入蛍光法に使用される物質の一種は、ルミネッセンスナノダイヤモンドであり、最終用途で必要とされる所望の波長内の光源によって励起される場合に発光するように開発されたナノサイズのダイヤモンド粒子または砥粒である。

【発明の概要】

【0003】

本要約は、下段の発明を実施するための形態に更に記述されている一連の概念を紹介するために提供されている。この概要は、特許請求の範囲に記載される対象の主要または本質的な特徴を特定するためのものではなく、特許請求の範囲に記載される対象の範囲を限定する手助けとして用いるためのものでもない。

【0004】

本明細書に開示されるルミネッセンスダイヤモンドは、前駆体ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の体積を圧力セル内に配置し、圧力セルが高圧／高温（ＨＰＨＴ）条件を受けることによって作製されてもよい。一例では、圧力装置は、ＨＰＨＴ条件中にダイヤモンド体積上に差圧または非対称圧力を加えることにより、ダイヤモンド砥粒が差ひずみを受けると、差ひずみがダイヤモンド砥粒の塑性変形を増加させて、窒素空孔中心の形成を増加させるように作用するように特別に構成される。一例では、圧力セルは、ＨＨＴ条件中にダイヤモンド体積上に差圧または非対称圧力を加えることにより、ダイヤモンド砥粒が差ひずみを受けると、差ひずみがダイヤモンド砥粒の塑性変形を増加させて、窒素空孔中心の形成を増加させるように作用するように特別に構成される。

【0005】

一例では、そのようなプロセスによって形成され、差圧を受けるダイヤモンドペレットは、１より大きいアスペクト比を有する、または１より大きいアスペクト比の変化を受けることが示されている。一例では、セルまたは圧力装置が半径方向より大きい軸方向の圧力による力を加えるように構成される場合、ダイヤモンド砥粒は、軸方向に負のひずみ、及び半径方向に正のひずみを受け、結果として得られるダイヤモンドペレット及び／またはプレス加工ダイヤモンド材料は、軸方向と半径方向との間で測定された場合に１よりも大きいアスペクト比の変化を受けることが示されている。

【0006】

一例では、受けるステップ中、ＨＰＨＴプロセスの温度は、所望の窒素移動を促進し、ダイヤモンドペレット内の窒素空孔（ＮＶ）中心の形成を優先的に促進するように約１，８００℃以下である。一例では、ダイヤモンド体積は、ダイヤモンド砥粒及び触媒材料の総重量に基づいて、約７５～８０ｗｔ％の最適化ダイヤモンド含有量を有し得る。一例では、ダイヤモンド体積は、約７０～１００ｗｔ％、８０～９５ｗｔ％、８０ｗｔ％超、及び特定の例では約８５ｗｔ％の最適化ダイヤモンド含有量を有し得る。一例では、触媒材料は、炭酸ナトリウムなどの非金属溶媒触媒である。一例では、得られるダイヤモンドペレットは、結合された二窒素空孔（ＮＶＮ）中心と比較した場合、及び３つの窒素原子（Ｎ３）が包囲する空孔中心と比較した場合、ＮＶ中心の大部分を有する。大部分のＮＶ集団により、得られるダイヤモンドペレットは、従来のＨＰＨＴプロセスによって形成された、すなわち、ダイヤモンド砥粒が均等または対称圧力を受けるため、この圧力が差ひずみを課さず、塑性変形度を高めることを促進せず、窒素空孔中心の形成を促さないダイヤモンドペレットよりも大きい、赤色波長スペクトル内の発光度を有する。

【0007】

一例では、ＨＰＨＴ処理によって形成された本明細書に開示されるルミネッセンスダイヤモンドでは、ナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子の水性懸濁液を形成するのに有用なナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子までサイズが縮小し得る。一例では、このような懸濁液を形成するために使用されるルミネッセンスダイヤモンドは、上記に開示される増加したダイヤモンド含有量、例えば、約７０～１００ｗｔ％、８０～９５ｗｔ％、８０ｗｔ％超、及び特定の例では約８５ｗｔ％を有し得る。一例では、ナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子は、約１００ナノメートルの平均粒子径を有し得る。一例では、水性懸濁液の形成前に、ナノサイズの粒子を洗浄し、熱処理し得る。一例では、ナノサイズのダイヤモンド粒子は、約４００～５５０℃の温度で熱処理されてもよい。一例では、水性懸濁液は、懸濁液の総重量に基づいて、約０．１ｗｔ％のナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子含有量を有し得る。一例では、懸濁液は、４７３ナノメートルのレーザーの励起下の緑色波長スペクトル内で、ダイヤモンドのｗｔ％含有量に応じて、約１０，０００任意単位（ａ．ｕ．）超、及び約１２，０００ａ．ｕ．超の光発光強度を有し得る。

【0008】

本明細書に開示されたルミネッセンスナノダイヤモンド及びその作製方法のこれら及び他の特徴及び態様は、添付図面と関連して考慮されると、以下の詳細な説明を参照することによって、同じことがよりよく理解されるにつれて理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1-1】本開示の幾つかの実施形態による、ダイヤモンド砥粒が高圧／高温処理条件を受けるために使用される標準的なセル構造体の概略側断面図である。

【0010】

【図1-2】本開示の幾つかの実施形態による、図１－１の標準的なセル構造体を用いたダイヤモンド砥粒の変形と、その結果として得られるダイヤモンドペレットの形成とを示す概略側断面図であり、結果として得られたダイヤモンドペレットは、差ひずみを受けておらず、約１のアスペクト比を有することが示されている。

【0011】

【図2-1】本開示の幾つかの実施形態による、高圧／高温処理前のダイヤモンド砥粒と触媒材料との従来の混合物の概略断面拡大図であり、その中に窒素原子の存在が示されている。

【0012】

【図2-2】本開示の幾つかの実施形態による、同等、均等、または対称な圧力による力を受けた場合に変形及び関連する窒素空孔中心を引き起こす従来の高圧／高温プロセスの第一ステージ中の図２－１の混合物の概略断面拡大図である。

【0013】

【図2-3】本開示の幾つかの実施形態による、ＮＶ中心を形成するための窒素拡散を示す１８００℃未満の温度での従来の高圧／高温プロセスの第二ステージ中の図２－１の混合物の概略断面拡大図である。

【0014】

【図2-4】本開示の幾つかの実施形態による、ＮＶＮ中心を形成するための窒素拡散を示す１８００～２３００℃の間の温度での従来の高圧／高温プロセスの第二ステージ中の図２－１の混合物の概略断面拡大図である。

【0015】

【図2-5】本開示の幾つかの実施形態による、Ｎ３中心を形成するための窒素拡散を示す２３００℃超の温度での従来の高圧／高温プロセスの第二ステージ中の図２－１の混合物の概略断面拡大図である。

【0016】

【図3-1】本開示の幾つかの実施形態による、高圧／高温処理前の本明細書に開示されたダイヤモンド砥粒及び触媒材料の混合物の概略断面拡大図であり、その中に窒素原子の存在が示されている。

【0017】

【図3-2】本開示の幾つかの実施形態による、本明細書に開示された差圧または非対称圧力による力を受けた場合に変形、差ひずみ、及び関連する窒素空孔中心の形成を引き起こす、本明細書に開示された高圧／高温プロセスの第一ステージ中の図３－１の混合物の概略断面拡大図である。

【0018】

【図3-3】本開示の幾つかの実施形態による、主にＮＶ中心を形成するための窒素拡散を制限するために１８００℃未満の温度で、本明細書に開示された高圧／高温の第二ステージ中の図３－１の混合物の概略断面拡大図である。

【0019】

【図4-1】本開示の幾つかの実施形態による、高圧／高温処理条件中に半径方向でのダイヤモンド砥粒変形度がより大きくなることで、形成されたダイヤモンドペレットが差ひずみを受けることを促進するように構成された本明細書に開示される例示的なセル構造体の概略側断面図である。

【0020】

【図4-2】本開示の幾つかの実施形態による、図４－１の例示的なセル構造体を用いたダイヤモンド砥粒の変形と、その結果として得られるダイヤモンドペレットの形成とを示す概略側断面図であり、結果として得られたダイヤモンドペレットは、差ひずみを受け、１より大きいアスペクト比を有することが示されている。

【0021】

【図5-1】本開示の幾つかの実施形態による、高圧／高温処理条件中に半径方向でのダイヤモンド砥粒変形度がより大きくなることで、ダイヤモンドペレットの形成が差ひずみを受けることを促進するように構成された本明細書に開示される例示的なセル構造体の概略側断面図である。

【0022】

【図5-2】本開示の幾つかの実施形態による、図５－１の例示的なセル構造体を用いたダイヤモンド砥粒の変形と、その結果として得られるダイヤモンドペレットの形成とを示す概略側断面図であり、結果として得られたダイヤモンドペレットは、差ひずみを受け、１より大きいアスペクト比を有することが示されている。

【0023】

【図6-1】本開示の幾つかの実施形態による、セル構造体内のダイヤモンド砥粒が高圧／高温処理条件を受けるために、セル構築体に同等、均等、または対称な軸方向及び半径方向の圧力を加える標準的な圧力装置によって使用される標準的なセル構造体の概略側断面図である。

【0024】

【図6-2】本開示の幾つかの実施形態による、図６－１の標準的な圧力装置及び標準的なセル構造体を用いたダイヤモンド砥粒の変形と、その結果として得られるダイヤモンドペレットの形成とを示す概略側断面図であり、結果として得られたダイヤモンドペレットは、差ひずみを受けておらず、約１のアスペクト比を有することが示されている。

【0025】

【図7-1】本開示の幾つかの実施形態による、高圧／高温処理条件中に半径方向でのダイヤモンド砥粒変形度がより大きくなることで、ダイヤモンドペレットの形成が差ひずみを受けることを促進するように、軸方向及び半径方向でセルに差圧を加えるように構成された本明細書に開示される例示的な圧力装置によって使用された標準的なセル構造体の概略側断面図である。

【0026】

【図7-2】本開示の幾つかの実施形態による、図７－１の例示的な圧力装置を用いたダイヤモンド砥粒の変形と、その結果として得られるダイヤモンドペレットの形成とを示す概略側断面図であり、結果として得られたダイヤモンドペレットは、差ひずみを受け、１より大きいアスペクト比を有することが示されている。

【0027】

【図8】本開示の幾つかの実施形態による、ダイヤモンド含有量に応じたフォトルミネッセンスダイヤモンドの光発光強度を示すグラフである。

【0028】

【図9】本開示の幾つかの実施形態による、同じ温度で焼結され、異なるダイヤモンド含有量を有するルミネッセンスダイヤモンドペレットの写真である。

【0029】

【図10-1】その後、５１５℃で熱処理したダイヤモンド含有量８５％の材料の波長に対する光発光強度を示すグラフである。

【0030】

【図10-2】本開示の幾つかの実施形態による、ダイヤモンド含有量に応じたルミネッセンスダイヤモンドの発光強度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0031】

本開示の幾つかの実施形態は、フォトルミネッセンスダイヤモンドとも呼ばれ得るルミネッセンスダイヤモンドに関する。幾つかの追加の実施形態では、塑性変形度が強化され、窒素空孔中心（ＮＶ、ＮＶＮ、またはＮ３）の量が増加したダイヤモンドペレットを製造することを含む、ルミネッセンスダイヤモンドを製造するのに有用な方法及び装置が記載される。窒素空孔中心の増加により、１つ以上のスペクトル内の発光度が増加することができる。例えば、ルミネッセンスの増加は、赤色波長スペクトル内で起こり得る。

【0032】

幾つかの実施形態では、本明細書に開示されるルミネッセンスダイヤモンド（例えば、フォトルミネッセンスダイヤモンド）及びその作製方法は、製造効率及び製造量を増大させることにより、生物学的利用を含むがこれらに限定されない最終用途における物質の入手容易性及び利用可能性を向上させる方法で設計される。ルミネッセンスダイヤモンドは、それらのような実施形態では、より少ない費用、エネルギー、時間、またはそれらの任意の組み合わせで製造され得、潜在的に、そのようなルミネッセンスダイヤモンドの利用可能性を高め得る。

【0033】

更に、幾つかの実施形態では、本明細書に開示される原理に従って調製されるルミネッセンスダイヤモンドは、従来のルミネッセンスダイヤモンドと同様またはそれより高いレベルの発光強度を示し、それにより、それらのような材料の潜在的な最終用途の範囲を拡大する機会を提示する。わかりやすくするために、幾つかの実施形態では、本明細書の幾つかの実施形態のルミネッセンスダイヤモンドは、最初に、発光活性焼結体もしくはスラッグ（結晶間ダイヤモンド結合の度合いが高いことを特徴とする）を形成する、または機械的に結合された半焼結体もしくはスラッグ（結晶間ダイヤモンド結合の度合いが低い、もしくは実質的にないことを特徴とする）を形成する、既存のダイヤモンド砥粒の圧密変形及び圧密によって形成される。このような条件では、圧密変形材料は、本明細書ではルミネッセンスダイヤモンドと呼ばれる。後続の処理中に、ルミネッセンスダイヤモンドは、特定の最終用途によって必要とされるサイズに熱処理され得、及び／または縮小し得、幾つかの実施形態では、得られたダイヤモンド粒子または砥粒は、サイズがナノスケールであり得る。幾つかの例では、縮小したサイズのルミネッセンスダイヤモンドは、ナノサイズの粒子のみであってもよく、またはナノサイズの粒子とより粗いダイヤモンド粒子との組み合わせを含んでもよい。本明細書で使用される「ナノダイヤモンド」という用語は、例えば最大１０００ｎｍ（例えば、１ｎｍ～１０００ｎｍの間）の平均サイズを有する、ナノサイズのダイヤモンド粒子を含むルミネッセンスダイヤモンドを指すと理解される。

【0034】

幾つかの実施形態では、本明細書に開示されるルミネッセンスダイヤモンドは、天然及び／または合成ダイヤモンド砥粒の形態であり得る前駆体ダイヤモンド砥粒の体積を組み合わせ、ダイヤモンド砥粒の体積を、ダイヤモンド砥粒の圧密変形のために従来から使用されているセル、缶、または容器内に配置することによって形成され得る。一例では、ダイヤモンド砥粒は、１μｍ～１０００μｍ、１μｍ～１００μｍ、または１０μｍ～５０μｍの平均粒子径を有し得る。他の実施形態では、初期ダイヤモンド砥粒または粉体のサイズは、本明細書に記載されるように、サブミクロンまたはナノダイヤモンドの範囲内に拡大し得る。幾つかの実施形態では、従来のダイヤモンド粉体の機械的破砕か、爆轟プロセスかいずれかによって形成されたナノサイズの粉体を同様の方法で使用することができる。従来のダイヤモンド粉体は、合成のものか天然のものかいずれかであることができるが、場合によっては、合成ダイヤモンド粉体は、隣接する空孔中心と共にダイヤモンドのルミネッセンスを活性にする、より高い固有窒素含有量を有する。一例では、出発ダイヤモンド材料は、タイプ１ｂとして指定されるダイヤモンドに見られるもの（例えば、５０ｐｐｍ以上の窒素）と一致する固有量の窒素不純物を有する。衝撃合成によって合成されたナノパウダーは、固有窒素含有量も高くなることができる。

【0035】

例示的な実施形態では、セル、缶、または容器（それぞれセルまたは圧力セル）は、多結晶ダイヤモンドを作製するための従来のプレス機器を使用した高圧／高温（ＨＰＨＴ）圧密変形プロセスを受ける場合、差圧または非対称圧力、例えば、半径方向とは異なる軸方向圧力をその内容物に加えるように特別に構成される。本明細書でより詳細に説明されるように、本明細書に開示されるセルによって加えられる差圧により、塑性変形度が大きくなることで、結果として得られるルミネッセンスダイヤモンドペレット内に形成されるＮＶ中心の量を増加させるのに有用な窒素空孔中心の数が多くなり、それに対応して赤色波長スペクトル内の発光量が増加することができる。例示的な実施形態では、セル、缶、または容器に圧力を加えるために使用されるプレス機器または装置は、多結晶ダイヤモンドを作製するためにそのような特別に構成されたプレス機器を使用してＨＰＨＴ圧密変形プロセスを受ける場合、セル及びセル内の内容物に差圧または非対称圧力（例えば、半径方向圧力とは異なる軸方向圧力）を加えるように特別に構成されてもよい。本明細書でより詳細に説明されるように、本明細書に開示されるプレス機器によって加えられる差圧により、塑性変形度が大きくなるため、結果として得られるルミネッセンスダイヤモンドペレット内に形成されるＮＶ中心の量を増加させるのに有用な窒素空孔中心の数が多くなり、発光量が（赤色波長スペクトル内で）増加することができる。

【0036】

別の例示的な実施形態では、圧力差は少なくとも５％である。例えば、プレス機器によってまたは圧力セルによって加えられる軸方向圧力は、プレス機器によってまたは圧力セルによって加えられる半径方向圧力よりも少なくとも５％、１０％、１５％、２５％、５０％、１００％、または２００％（またはこれらの間の任意の値）大きくてもよい。他の実施形態では、プレス機器によってまたは圧力セルによって加えられる半径方向圧力は、プレス機器によってまたは圧力セルによって加えられる軸方向圧力よりも少なくとも５％、１０％、１５％、２５％、５０％、１００％、または２００％（またはこれらの間の任意の値）大きくてもよい。

【0037】

例示的な実施形態では、ダイヤモンド砥粒の体積はセル、缶、または容器内に配置され、セル、缶、または容器は、密閉されても、またはされなくてもよく、ＨＰＨＴプレス内に配置され、所望の焼結圧力及び温度条件を受ける。一部の実施形態では、ＨＰＨＴプロセス温度は１３００～２５００℃の範囲内であってもよく、プロセス圧力は約３．０ＧＰａ～約１０ＧＰａであってもよい。ＨＰＨＴプロセス中にルミネッセンスダイヤモンド内に形成されるＮＶ中心の量を増加させることが望ましい例では、ＨＰＨＴプロセス温度を約１８００℃以下（例えば、１５００℃～１８００℃の範囲内、１３５０℃～１６００℃の範囲内）、場合によっては１５００℃未満（例えば、１３００℃～１５００℃）に制御することによって、窒素拡散速度を制限し、空孔サイトへの窒素移動を制御することが望ましい場合がある。窒素移動が少ないと、ＮＶ中心は、より多くの窒素原子を使用し得る他の窒素空孔中心（例えば、ＮＶＮまたはＮ３中心）よりも優先的に生成されることができる。

【0038】

ＮＶ中心は、赤色波長スペクトル内でルミネッセンスを起こす。特に、赤色波長スペクトル内では、ルミネッセンスは、６２０ｎｍ～７００ｎｍの間、６３０ｎｍ～７００ｎｍの間の波長を有し、及び／または中心が６５０ｎｍ～６８０ｎｍの間（例えば、６６０ｎｍまたは６７５ｎｍ）になったピークを有し得る。幾つかの実施形態では、ＮＶ中心は、他の窒素空孔中心よりも優先的に生成されることができる。例えば、ＮＶ中心は、緑色波長スペクトル内（例えば、ピークが５２５ｎｍを中心としているような、４９５ｎｍ～５７０ｎｍの間の波長を有する）でルミネッセンスを起こすＮＶＮ中心より優先的に生成されることができる。ＮＶ中心を優先的に作成するために、または主にＮＶ中心もしくはＮＶ中心のみを作成するためにも、前述の窒素濃度（例えば、＞５０ｐｐｍ）がＮＶ濃度（例えば、何らかの市販材料中で１ｐｐｍ～３ｐｐｍの間）よりも常に高くなり得るため、窒素拡散を若干抑制することができる。幾つかの実施形態及び方法では、ＮＶ中心を優先的に、または主に生成するために、窒素拡散の抑制が必要とされる場合がある。

【0039】

一例では、ダイヤモンド砥粒の体積は、触媒材料を実質的に含まなくてもよく、その結果、ＨＰＨＴプロセスから得られるダイヤモンド材料は、完全には焼結されていないが、むしろ、摩擦接触、冷間圧接、ダイヤモンド自己拡散などによって合わせて機械的に結合されるダイヤモンド砥粒を含む半焼結スラッグまたは半焼結体の形態にある。一例では、ダイヤモンド砥粒の体積は、ある程度の量の触媒物質を含み得、触媒材料のタイプは異なることができる（例えば、触媒材料は、本明細書に記載される金属溶媒触媒であってもよく、または非金属溶媒触媒であってもよい）。一例では、ダイヤモンド砥粒は、非金属溶媒材料と組み合わされる。幾つかの実施形態では、完全に焼結されていない（すなわち、半焼結され、従来の金属溶媒触媒を使用して合わせて結合されたダイヤモンド砥粒のネットワークを特徴としない）ダイヤモンド材料を製造する特徴は、多結晶ダイヤモンド完全焼結体と比較して、相対的にその透明度が向上することができ、その透明度は、そこから発光する発光強度を向上させ得る。また半焼結体の多孔質領域内に形成されるグラファイトが存在する場合があり、発光強度を低下させる場合がある。そのような場合、製造プロセスの一部として、グラファイト材料が部分的または完全に除去されることが望ましい場合がある。

【0040】

ＨＰＨＴプロセス中、前駆体ダイヤモンド砥粒の体積の少なくとも一部が塑性変形を受けることができることが分かった。一部の実施形態では、ＨＰＨＴ圧密変形プロセスの程度は、ダイヤモンド砥粒内の十分な塑性変形及び窒素拡散を引き起こして、窒素空孔中心（例えば、窒素空孔（ＮＶ）または二窒素空孔（ＮＶＮ）中心の一方または両方を含む）を作成するような程度、及び／またはダイヤモンド砥粒の発光を活性化するように作用する、３つの窒素原子がダイヤモンド砥粒内の空孔（Ｎ３）中心を囲んでいる光学中心を作成するような程度である。本発明者らによる試験の結果、ＨＰＨＴ中のダイヤモンド粒子の塑性変形は、結晶転位運動などの変形メカニズムが活性になると、空孔中心を作成し、それら空孔は次に、窒素不純物と結合して、ＮＶ中心、ＮＶＮ中心、またはＮ３光学中心のうちの１つ以上を含む空孔中心を形成し、所望の発光活性を起こすことが知られている。幾つかの実施形態では、これは、金属触媒（例えば、ＨＰＨＴプロセス中に結晶間ダイヤモンド結合を促進するように作用するコバルト）または非金属触媒／圧力伝達媒体（例えば、ＨＰＨＴプロセス中の結晶間ダイヤモンド結合を促進しない炭酸塩及び塩化物）との多結晶ダイヤモンドの従来の焼結中に起こる。他の実施形態では、ＨＰＨＴプロセスから得られるダイヤモンド砥粒は、溶媒触媒が結合した多結晶ダイヤモンドと比較して、弱いダイヤモンド－ダイヤモンド結合を誘起しながら、より広範囲のＮＶ及び／またはＮＶＮ中心及び／またはＮ３中心を意図的に作成するように大量に塑性変形され得る。例えば、幾つかの実施形態では、完全焼結体をもたらさずに、ＨＰＨＴプロセス中に発光活性を起こすような塑性変形をダイヤモンド砥粒が受けることで、破砕プロセスなどによってダイヤモンド砥粒の粒子径分級という下流プロセスがより容易で、エネルギー消費量を少なくすることが望ましい。例えば、他の作用及び追加の作用の代わりに、機械的に結合されたダイヤモンド砥粒を破壊して分離させることだけが必要とされる場合がある。

【0041】

幾つかの実施形態では、本明細書に開示されるルミネッセンスダイヤモンドは、ダイヤモンド前駆体砥粒の体積が触媒材料の存在下でＨＰＨＴプロセスを受けることによって、同様の方法で形成され得る。かかる実施形態では、使用される触媒材料のタイプは、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）生成物の生成のために、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、炭酸塩、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない群から選択されてもよい。幾つかの実施形態では、Ｓｉを加えて使用し、反応結合シリコンカーバイドＰＣＤ製品を作製し得る。幾つかの実施形態では、コバルトＰＣＤのＨＰＨＴ処理条件は、１３００℃～１５００℃の温度、及び５．０ＧＰａ～７．５ＧＰａの圧力の内であり得る。更に、コバルトＰＣＤは、真空中、６００℃～７００℃の温度で熱処理されることができる。使用される触媒材料の量は、使用される触媒のタイプ、望ましい発光量、及び特定の最終用途などの要因に応じて異なることができ、異なるであろう。生物学的な最終用途では、生体適合性の理由で、ルミネッセンスダイヤモンド内に金属材料が存在することが望ましくない、及び／または許可されない場合があり、その場合、非金属触媒を使用することが望ましい場合がある。幾つかの実施形態では、非金属触媒を使用することにより、ＰＣＤ体は、金属溶媒触媒を使用して形成されたＰＣＤと比較して、相対的に高い透明度を有する、または不透明さが低下する。幾つかの実施形態では、本明細書に開示されるルミネッセンスダイヤモンドを作製するのに有用な非金属触媒は、炭酸塩ＰＣＤ（ＣＰＣＤ）の形成をもたらす、炭酸マグネシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウムなどの炭酸塩触媒を含む。

【0042】

図１－１は、ＨＰＨＴプロセスによって多結晶ダイヤモンドを形成するために使用される従来または標準のセルまたは容器１０を示す。このような例では、セル１０は、１つまたは複数の内部チャンバ１２を含み、これら１つまたは複数の内部チャンバは、その中に、ダイヤモンド砥粒と触媒材料との混合物であり得る、ダイヤモンド砥粒の体積を収容するように構成される。このような例では、セルは、塩化ナトリウム、塩化セシウムなどのプレスディスクから形成される軸方向要素１４、１６、及び１８と、プレスした塩化ナトリウム、塩化セシウムなどから形成されたリング形態の半径方向要素２０及び２２とを含む。例示的なセル１０は、プレス装置によってセルに加えられる、同等、均等、または対称圧力（軸方向及び半径方向に等しい圧力）を受け、チャンバ１２内のダイヤモンド砥粒の体積に、均等または対称圧力を伝達して加えるように構成される。図１－１に示されるようなセルは１８００℃～２３００℃のプレス温度下でＨＰＨＴ処理中にルミネッセンスダイヤモンドを形成するのに有用であり、生成されるルミネッセンスダイヤモンドは、幾つかのＮＶＮ中心（緑色波長スペクトル内で発光する）、及びより少ない数のＮＶ中心（赤色波長スペクトル内で発光する）を有し得ることで、赤色波長スペクトル内のルミネッセンスによる全体的な発光が比較的低くなる。このＮＶ中心の数が比較的少ないのは、ＨＰＨＴプロセス中に窒素中心に移動して窒素中心を充填するために存在する窒素の量が比較的多いことに加えて、行われる塑性変形の量が比較的少ないためであると考えられる。利用可能な窒素の量が多く、窒素空孔の量が少ないことは、そのような方法で製造されたルミネッセンスダイヤモンド内のＮＶＮ中心形成に有利に働く。１８００℃未満では、主にＮＶ中心が形成されることが観察されているが、ＮＶ中心は、市販のＮＶナノダイヤモンド材料に匹敵する発光強度を与えるのに十分に高い濃度で形成されない可能性がある。これは、１８００℃未満の温度でのダイヤモンドの塑性変形及び空孔中心の形成が不十分であるためであると考えられる。図１－２は、セル１０を使用してＨＰＨＴプロセス中に均等な力を加えるように形成され得るダイヤモンド砥粒２４を示す。図示のように、得られるダイヤモンド砥粒は、均等なひずみを受け、幅寸法と高さ寸法との間で測定された約１であるアスペクト比を有する。

【0043】

図２－１～図２－５は、図１－１及び図１－２に関して記載されたようにダイヤモンドペレットを形成するためのＨＰＨＴプロセスを受けた場合のダイヤモンド粉体触媒材料の従来の混合物の体積を示す。図２－１は、ＨＰＨＴ処理を受ける前のダイヤモンド粉体と触媒材料との従来の混合物の体積２００を示し、その混合物中に存在する窒素原子２０２を示す。図２－２は、プレス装置によって、セルを使用し、同等、等しい、または対称の圧力がその体積に加えられるＨＰＨＴ処理の第一ステージを受けた後のダイヤモンド体積２０４を示し、そのような第一ステージでは、ダイヤモンド体積は、温度を著しく上昇させることなく圧力を受ける。この初期加圧の後、体積内の温度をセル内部で上昇させるように熱を増加させることができる。ＨＰＨＴセルが加えられた圧力での均一性をもたらすように設計されるため、いずれのダイヤモンド塑性変形も、加えられた熱及び圧力に応じてランダムに配向されたダイヤモンド結晶のゆがみが原因である。ランダムに配向されたダイヤモンド結晶との熱及び圧力の組み合わせは、ダイヤモンド結晶中の塑性変形を誘起することにより、ダイヤモンド格子内に空孔２０６が作成される。

【0044】

図２－３は、軸方向及び半径方向圧力が等しい状態で説明されるＨＰＨＴプロセスの第二ステージを受けた後のダイヤモンド体積２０８を示し、同等、等しい、または対称の圧力が維持され、温度が１８００℃未満の温度まで上昇することにより、窒素原子２０２は、拡散し、空孔２０６に移動し、ＮＶ中心２１０を含む窒素空孔中心を形成する。図２－４は、記載されたＨＰＨＴプロセスの第二ステージを受けた後のダイヤモンド体積２１２を示し、同等、等しい、または対称の圧力が維持され、温度が１８００℃～２３００℃の間まで上昇することにより、より大量（図２－３のものと比べて）の窒素原子２０２は、拡散して空孔２０６に移動することにより、ＮＶＮ中心２１４を含む窒素空孔中心を形成する。図２－５は、記載されたＨＰＨＴプロセスの第二ステージを受けた後のダイヤモンド体積２１６を示し、同等、等しい、または対称の圧力が維持され、温度が２３００℃超まで上昇することにより、より大量（図２－４のものと比べて）の窒素原子２０２は、拡散して空孔２０６に移動することにより、Ｎ３中心２１８を含む窒素空孔中心を形成する。

【0045】

したがって、図２－１～図２－５に示されるように、従来のダイヤモンド粉体によるダイヤモンド体積は、特定のＨＰＨＴ温度条件に応じてＮＶ、ＮＶＮ、及びＮ３中心を形成するためのＨＰＨＴ処理の第二ステージ中に拡散して移動するために利用可能な比較的多数の窒素原子を含有することができる。一般に、比較的多数の窒素原子の存在と、同等、等しい、または対称の圧力条件によるＨＰＨＴプロセスとが組み合わされた結果、ＮＶ中心に勝るＮＶＮまたはＮ３中心を含む窒素空孔中心の形成を促すように空孔と結合するために、比較的少ない量の窒素空孔が（ＨＰＨＴ処理の第一ステージ中に）形成され、比較的多い量の窒素が拡散及び移動のために利用可能になる。ＮＶ中心は、幾つかの用途では、赤色波長スペクトル内でルミネッセンスをもたらすことが望ましい場合がある。

【0046】

図３－１及び図３－２は、主に赤色波長スペクトル内で発光するダイヤモンドペレットを形成するために、本明細書に開示されるＨＰＨＴプロセスを受けた場合の本明細書に開示されたダイヤモンド粉体触媒材料の混合物の体積２２０を示す。図３－１は、本明細書に開示されるＨＰＨＴ処理を受ける前の本明細書に開示されるダイヤモンド粉体と触媒材料との混合物の体積２２０を示し、その体積２２０は混合物中に存在する窒素原子２２２を含み、図２－１に示されるより従来のダイヤモンド粉体及び触媒材料の体積よりも存在する窒素原子２２２が少ない。ＨＰＨＴ処理中の拡散及び移動のために存在する窒素の量を低減させることにより、ＮＶＮ及びＮ３中心を形成するために存在する窒素の量を制限することで、ＮＶ中心の形成を促す目的で、体積２２０内に存在する窒素原子が少なくなることが望ましい場合がある。幾つかの実施形態では、窒素含有量の低いダイヤモンドは、５０ｐｐｍ未満であり、任意選択で２５ｐｐｍ未満である。この低濃度を達成するために、アルミニウム粉体またはチタン粉体などの窒素「ゲッター」をダイヤモンド粉体合成プロセスに使用することができる。

【0047】

図３－２は、本明細書に開示されるＨＰＨＴプロセスの第一ステージを受けた後のダイヤモンド体積２２４を示し、その体積に差圧または非対称圧力が特別に構成されたプレス装置及び／または特別に構成されたセルによって加えられ、そのような第一ステージでは、ダイヤモンド体積は差圧を受ける。本明細書に開示されるＨＰＨＴプロセスの加圧及び初期加熱中に、ダイヤモンド体積２２４は、その体積が差応力を受け、空孔２２６の数または濃度が（図２－２に示される例と比較して）増加したダイヤモンドペレットを作成する（図２－２に示される例と比較して）増大した塑性変形度を受けることができる。図３－３は、本明細書に開示されるＨＰＨＴプロセスの第二ステージを受けた後のダイヤモンド体積２２８を示し、差圧または非対称圧力が加えられ／維持され、温度が任意選択で変化する。例えば、温度が１８００℃未満（または１５００℃未満）の温度まで変化する、または上昇することができることで、窒素原子２２２は、拡散し、空孔２２６に移動し、ＮＶ中心２３０を含む窒素空孔中心を形成することができる。したがって、幾つかの実施形態では、空孔２２６が差圧によって作成されると、圧力及び／または温度の条件が維持されない場合がある。

【0048】

したがって、図３－１～図３－３に示されるように、ダイヤモンド粉体の体積中の窒素原子の数を制御することによって、ＨＰＨＴプロセス中の拡散及び移動のために存在する窒素の量を制御することができる。ＨＰＨＴプロセス中、体積に加えられる圧力もまた、体積にかかる塑性変形及び／または差応力の程度を増加させる目的で、差圧または非対称圧力であることができる。そのような差は、ダイヤモンドペレット中の空孔の数または濃度の増加を生じることがある。また、ＨＰＨＴプロセス中に温度を制御して、拡散及び移動に利用可能な窒素原子の数を制御することができるため、ＮＶＮ及び／またはＮ３中心よりもＮＶ中心を優先的に形成することを促し得ることにより、赤色波長スペクトル内で大部分が発光するダイヤモンドペレットが形成され得る。

【0049】

図４－１は、本明細書に開示される実施形態による例示的なセル３０を示し、このセルは、ＨＰＨＴプレス装置から均等な力を受け、その中に含まれるダイヤモンド砥粒の体積に差圧または非対称圧力を加えて、ダイヤモンド砥粒の塑性変形の量を増加させることにより、その中に形成される窒素空孔中心の量を増加させるように特別に構成される。一例では、セル３０は、その中にダイヤモンド砥粒の体積、またはダイヤモンド砥粒と触媒材料との混合物を収容するように構成された１つまたは複数の内部チャンバ３２を有するように構成される。セル３０は、プレス装置から内部チャンバ３２内のダイヤモンド体積に軸方向圧力による力を伝達するための（例えば、塩化セシウム粉体のプレスディスクから形成された）軸方向要素３４、３６、及び３８を含むことができる。またセル３０は、半径方向要素４０及び４２（例えば、プレス装置の全半径方向圧力をダイヤモンド砥粒の体積に伝達しないように構成される材料から形成される）を含むこともできる。一例では、半径方向要素は、緩い塩化セシウム粉体、低い密度で圧密される塩化セシウムプレス構成要素などから形成され得る。

【0050】

このように構成され、ＨＰＨＴプロセス中にプレス装置の均等な圧力を受けた場合、セル３０は、ダイヤモンド砥粒の体積に差圧または非対称圧力を加えるように動作する。この例では、セル３０は、半径方向（図４－１のｘ方向）よりも軸方向（図４－１のｙ方向）でより大きい圧力を加える。例示的なセル３０は、半径方向よりも軸方向に大きい圧力を加えるように構成されるが、本明細書に開示されるセルは、軸方向よりも半径方向に大きい圧力を加えるように構成されてもよく、または他の方向での差圧もしくは非対称圧力を加えるように構成されてもよく、ダイヤモンド砥粒の体積に異なる方向で差圧または非対称圧力を加えるように構成されたそれらのようなセルの全ては本開示の範囲内にあると理解される。

【0051】

図４－２は、セル３０を使用して、ＨＰＨＴプロセス中に差力を加えることによって変形されたダイヤモンド砥粒４４を示す。図示のように、得られたダイヤモンド砥粒は差ひずみを受けており、１つの方向ではひずみは正であり、別の方向ではひずみは負である。そのような差ひずみを受けた結果として得られたダイヤモンドペレットは、幅寸法と高さ寸法との間で測定される場合、１よりも大きいアスペクト比を有することが示される。図４－２を参照すると、概略的に例示されるアスペクト比は、元の（プリプレスされた）形状（例えば、図１０１のダイヤモンド砥粒２４を参照）と、結果として得られた（プレスされた）形状（ダイヤモンド砥粒４４を参照）との間の差を示す。元のダイヤモンド砥粒が概して対称であってもよく、または約１のアスペクト比を有してもよいが、これは必須ではないことを理解されたい。代わりに、プリプレスされたダイヤモンド砥粒は、１未満または１超のアスペクト比を有してもよい。結果として、ＨＰＨＴプロセスを受けた場合、記載されたアスペクト比は、物理構造体で観察可能なアスペクト比であり得るが、代わりに、元のプリプレス形状からのアスペクト比の変化として反映されてもよい。

【0052】

したがって、幾つかの実施形態では、アスペクト比またはアスペクト比の変化は、１超～２の間（例えば、１．１超～２、または１．２５超～１．７５の間）である。図２－２に示されるように、ダイヤモンド砥粒に加えられる差圧は、ダイヤモンド砥粒間の塑性変形度を増加させるように作用することにより、図１－１に関して論じられたようにＨＰＨＴ処理中に対称セル１０を使用した場合と比較して、その中により多数の窒素空孔中心を作成するように作用する。

【0053】

幾つかの実施形態では、ダイヤモンド砥粒を参照して形状に関するアスペクト比またはアスペクト比の変化を説明するのではなく、アスペクト比及びアスペクト比の変化は、プレスされるダイヤモンド砥粒の組み合わせに反映されることができる。例えば、ビレットをダイヤモンド砥粒から形成してもよく、そのビレットを本明細書に記載のＨＰＨＴ条件下でプレスしてもよい。その後、ビレットは形状変化を受けてもよく、幾つかの実施形態では、アスペクト比の変化は１より大きくなる。例えば、矩形断面形状を有するビレット（図９を参照）は、ＨＰＨＴ処理を受けてもよく、幾つかの実施形態では、ビレットのアスペクト比の変化は１より大きくてもよい。

【0054】

本明細書に開示されるセル３０は、結果として得られるルミネッセンスダイヤモンド内のより多くの量の窒素空孔中心の形成を促す（例えば、ＮＶ中心の作成が増加して赤色発光を促す）ために、塑性変形度及び結果として生じる窒素空孔中心を増加させるように動作することができるが、ＨＰＨＴプロセスは制御された温度（例えば、約１８００℃以下）を使用して行われることができるため、空孔に隣接する位置への移動のための窒素の拡散速度は若干制御される。これにより、ＮＶＮ中心及び／またはＮ３中心よりもＮＶ中心が優先的に生成されることができる。したがって、幾つかの実施形態では、ＨＰＨＴプロセス温度が約１８００℃以下（例えば、５００℃～１８００℃の間、もしくは１２００℃～１８００℃の間）、約１５００℃～１８００℃、または約１５００℃未満（例えば、５００℃～１５００℃の間、もしくは１２００℃～１５００℃の間）であることが望ましい。場合によっては、ＨＰＨＴプロセスに続いて、発光強度を向上させ、潜在的に最大にするための温度で材料を熱処理することが有益なこともある。例えば、材料は、標準真空炉内で１３００℃までの温度で熱処理されてもよいが、他の熱処理方法または温度で熱処理されてもよい（例えば、１３００℃超または未満が使用されてもよい）。

【0055】

図５－１は、幾つかの実施形態による例示的なセル５０を示し、このセルは、ＨＰＨＴプレス装置から均等な力を受け、その中に含まれるダイヤモンド砥粒の体積に差圧を加えて、ダイヤモンド砥粒の塑性変形の量を増加させることにより、その中に形成される窒素空孔中心の数または濃度を増加させるように特別に構成される。一例では、セル５０は、その中にダイヤモンド砥粒の体積、またはダイヤモンド砥粒と触媒材料との混合物を収容するように構成された１つまたは複数の内部チャンバ５２を有するように構成される。セル５０は、セルのそれぞれの頂部及び底部上で互いから軸方向にオフセットにある軸方向要素５４及び５６を含む。幾つかの実施形態では、軸方向要素５４、５６は、気孔率が最小になる高密度材料から形成される。また図５－１のセル５０は、気孔率が高い低密度材料から任意選択で形成される半径方向要素５５及び５７を含む。一例では、低密度材料は、真密度まで焼結されておらず、有意な気孔率、及びそれらの組み合わせを含むなど、ＭｇＯ及び／またはＺｒＯ₂などの低密度固体であることができる。別個の半径方向要素５５、５７が幾つかの実施形態で示されるが、半径方向要素５５、５７は、例えばチャンバ５２の周りに完全または部分的に延在するシリンダとして、形成される一体片である。

【0056】

またセル５０は、１つまたは複数の中間軸方向要素５８、６０、及び６２を含むことができる。図示の実施形態では、軸方向要素５８は軸方向要素５４と第一内部チャンバ５２の頂部との間に配置され、軸方向要素６０は第一及び第二内部チャンバ５２の間に配置され、軸方向要素６２は軸方向要素５６と第二内部チャンバ５２の底部との間に配置される。例示的な実施形態では、中間軸方向要素５８、６０、及び６２は、非圧縮性材料から少なくとも部分的に形成される。一例では、非圧縮性材料は、鉄、ニッケル、コバルトなどの液体金属、またはそれらの組み合わせなどの流体であってよい。これらの金属は、溶融が起こると、セル内の材料の位置を制御するために、耐火金属容器内に閉じ込められることができる。セルは同様に、これらの金属、例えば、ＷＣ－Ｃｏ、ＷＣ－Ｎｉ、ＷＣ－Ｆｅなど、またはそれらの組み合わせなどを含有するサーメットを使用して構築されることができる。

【0057】

このように構成され、ＨＰＨＴプロセス中にプレス装置の均等な圧力を受けた場合、セル５０は、ダイヤモンド砥粒の体積に差圧を加えるように動作することができる。この例では、セル５０は（非圧縮性中間軸方向要素５８、６０、及び６２の存在が原因で）半径方向よりも軸方向でより大きい圧力を加える。圧力差によって、ダイヤモンド砥粒は、異なるひずみ、例えば、軸方向に負及び半径方向に正のひずみを受け、ダイヤモンド砥粒の塑性変形度が増加することができる。例示的なセル５０は、半径方向よりも軸方向に大きい圧力を加えるように構成されるが、本明細書に開示されるセルは、軸方向よりも半径方向に大きい圧力を加えるように構成されてもよく、または他の方向での差圧もしくは非対称圧力を加えるように構成されてもよく、ダイヤモンド砥粒の塑性変形を増加させるという目的でダイヤモンド砥粒の体積に異なる方向で差圧または非対称圧力を加えるように構成されたそれらのようなセルの全ては本開示の範囲内にあると理解される。

【0058】

図５－２は、セル５０を使用し、ＨＰＨＴプロセス中に差力を加えることで、ダイヤモンド砥粒が差ひずみを受けることによって、変形したダイヤモンド砥粒６４を示す。図示のように、得られるダイヤモンド砥粒は、幅寸法と高さ寸法との間で測定される、１より大きいアスペクト比を有することが示される。ダイヤモンド砥粒に加えられる差圧は、ダイヤモンド砥粒間の塑性変形度を増加させる差ひずみをダイヤモンド砥粒に受けさせるように作用することができることにより、本明細書で論じられたＨＰＨＴ処理中に図１－１のセル１０の対称圧力を使用した場合と比較して、その中でより高い数または濃度の窒素空孔中心を生じるように作用することができる。またセル５０は、図４－１に示されたセル３０を参照して説明された同一または同様の温度条件下でのＨＰＨＴプロセス中に、ルミネッセンスダイヤモンド内のＮＶ中心の作成を促すように動作することもできる。

【0059】

図６－１は、ルミネッセンスダイヤモンドを形成するために使用されるＨＰＨＴプロセス中に、セル７０上で均等な力（すなわち、軸方向７１及び半径方向７３に等しい力）を加えるように構成された従来のプレス装置によって使用され得るセル７０を示す。したがって、セル７０は、図１－１のセル１０と同様であってもよい。

【0060】

図示のように、プレス装置によってセル７０に加えられる圧力は半径方向及び軸方向で同じであることにより、ダイヤモンド砥粒は塑性変形を制限する均等なひずみを受ける。図６－２は、標準セル７０を使用して、ＨＰＨＴプロセス中に均等な力を加えることによって変形されたダイヤモンド砥粒７２を示す。図示のように、得られるダイヤモンド砥粒は、均等なひずみを受け、幅寸法と高さ寸法との間で測定された約１であるアスペクト比を有することが示される。本明細書に記載されるように、対称的なＨＰＨＴプロセスの圧力及び温度で、そのようなセル７０及びプレス装置を使用してＨＰＨＴプロセスによって作成されたルミネッセンスダイヤモンドは、所望のものよりも大量のＮＶＮ中心、及びＮＶ中心よりも潜在的に多いＮＶＮ中心を作成することができることにより、赤色波長スペクトル内の発光量を発することができるが、この発光量は、特定の最終用途、すなわち、赤色波長スペクトル内で多くの発光量を必要とするものには十分でない、または望ましくない場合がある。

【0061】

図７－１は、セル８２に差圧または非対称圧力を加えるように構成され、ＨＰＨＴ処理中に１つ以上の内部チャンバ８４内にダイヤモンド砥粒の体積またはダイヤモンド砥粒の混合物を含む例示的なプレス装置８０を示す。一例では、プレス装置８０は、セル８２に対し、半径方向よりも軸方向に差圧または非対称圧力を加えることができる任意のタイプのものであり得る。一例では、プレス装置８０は、従来または独自の立方体プレス、中実フレームプレス、ベルトプレスなどであってもよい。図示の例では、プレス装置８０は、セル８２に、半径方向８５よりも軸方向８３に大きい差圧を加えることにより、ダイヤモンド砥粒が上記に説明されるように差ひずみを受けるように構成される。代替に、本明細書に開示される圧力装置が軸方向よりも半径方向に大きい圧力をセル８２に加えるように構成されてもよいことを理解されたい。したがって、本明細書に開示されるプレス装置が軸方向よりも半径方向に大きい圧力を加えるように構成されてもよいこと、または他の方向に差圧もしくは非対称圧力を加えるように構成されてもよいことを理解されたく、塑性変形を増大させる目的で異なる方向でセルに差圧または非対称圧力を加えるように構成されるそれらのようなプレス装置が全て本開示の範囲内にあると理解される。

【0062】

一例では、セル８２は、それ自体がプレス装置と内部チャンバ８４内のダイヤモンド砥粒の体積との間に差圧を生じさせないように構成される標準セルであってもよい。あるいは、セルは、プレス装置によって加えられる差圧に寄与するように構成される上記に開示された例示的なセルであってもよく、例えば、ある程度の差圧をプレス装置が加えている間、セル自体は、ダイヤモンド体積に加える、そのある程度の差圧を高めるように動作し得る。一例では、プレス装置８０は、本明細書に記載されるものと同じまたは同様の温度条件下でＨＰＨＴプロセス中に動作し、結果として得られるルミネッセンスダイヤモンド内のＮＶ中心の形成の増加を促進する。

【0063】

図７－２は、プレス装置８０及びセル８０を使用することによって変形されるダイヤモンド砥粒８６を示し、プレス装置は、ＨＰＨＴプロセス中にセル上に差力を加える。図示のように、ダイヤモンド砥粒は、幅寸法と高さ寸法との間で測定される、１より大きいアスペクト比を有することが示されるダイヤモンド砥粒を生成する差ひずみを受ける。図５－２に示されるように、差圧は、セルによって伝達され、ダイヤモンド砥粒上に加えられると、上記のようにＨＰＨＴ処理中にセルに均等または対称な圧力を加えるように構成された標準プレス装置を使用した場合と比較して、ダイヤモンド砥粒間の塑性変形度を増大させることにより、その中でより高い数または濃度の窒素空孔中心を生じる。

【0064】

本明細書に開示されるセル及びプレスの一部の特徴は、ＨＰＨＴ処理中にダイヤモンド砥粒に動的または非対称的な圧力を加える能力である。またダイヤモンドが塑性変形する能力は、より高い温度を加えることによって向上することができる。したがって、本明細書に記載されている様々な構造体及び構成要素は、ＨＰＨＴ処理中にダイヤモンド砥粒または内部チャンバに非対称圧力を加えるための手段として使用され得る。例示的な手段は、セルの外部上に対称圧力を使用して、セルの内部チャンバに非対称圧力を加える構造体を含むセル（例えば、図４－１及び図５－１）、異なる方向に異なる圧力を加える構造体を含むプレス（例えば、図７－１）、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。幾つかの実施形態では、本明細書に記載の温度条件でのＨＴＨＰ処理は、ダイヤモンド砥粒内の塑性変形度または量を増大させるように機能し、それにより（ＨＰＨＴプロセスの制御された温度によって）制御された量の利用可能な窒素に対する空孔の数または濃度を増加させるように機能することで、ＮＶＮ中心とは対照的な、またはＮＶＮ中心の濃度を超える濃度でＮＶ中心を形成する。したがって、この方法で形成されたルミネッセンスダイヤモンドは、より従来のダイヤモンド焼結ＨＰＨＴ温度、またはより有意な数もしくは濃度のＮＶＮ中心を生成する他のプロセス下で、ＨＰＨＴ処理セル及び／またはプレス装置を使用して形成されたルミネッセンスダイヤモンドよりも赤色波長スペクトル内でより大量に発光することができる。

【0065】

例示的な実施形態では、ダイヤモンド砥粒は、炭酸ナトリウムなどの炭酸塩である非金属溶媒触媒と組み合わされる。一例では、使用される炭酸ナトリウムの量は、炭酸塩ＰＣＤ（ＣＰＣＤ）完全焼結体を形成するのに十分な量、例えば、炭酸塩触媒及びダイヤモンド砥粒の総重量に基づいて最大５重量％であり得る。炭酸ナトリウムで作製されたビレットが本質的にコバルトＰＣＤよりも暗くないのは、暗い色の材料が可視光の吸収を示すため、ルミネッセンス発光及び発光強度のレベルが高くなることに寄与していると考えられる。幾つかの実施形態では、使用される触媒材料の量がＰＣＤ完全焼結体を形成するのに有用な量より少ない、例えば（ダイヤモンド層またはＰＣＤ体の総重量と比較して）５重量％未満の触媒が望ましい場合がある。これらのような実施形態では、ＰＣＤの部分焼結体または半焼結体を生成することが望ましい場合があり、このＰＣＤ体は、以下でより良好に説明されるように、そのＰＣＤ体をナノサイズのダイヤモンド片または砥粒に粒子径分級する下流プロセスを容易にする目的で、結晶間結合ダイヤモンドとダイヤモンド遊離砥粒との両方を含む。

【0066】

ダイヤモンド砥粒がＨＰＨＴ条件下で圧密されると、ダイヤモンド砥粒または粒子間の点接触によって生じるせん断応力に起因する塑性変形が起こることができる。多数または高濃度の空孔を作成するために、ダイヤモンド砥粒を加熱することが有用な場合があるが、ＨＰＨＴの温度が高いと、ダイヤモンド粒子表面（圧密体内の空隙）のほとんどに圧力がかからないため、ダイヤモンドのグラフェン化も起こることができる。ダイヤモンドのグラフェン化を回避するために、圧密体内のダイヤモンド表面上のこれらの空隙は、圧力を加えることを必要とする、または圧力を加えることから利益を得る場合がある。窒素中心または空孔を作成するために所望の量の塑性変形を維持しながら、不要なダイヤモンドのグラフェン化を最小にする試みでは、炭酸ナトリウムなど、最適な範囲の触媒材料を使用することが有用である。触媒材料の範囲は、塑性変形及び空孔を作成するために粒子間の点接触によって加えられるせん断応力と、ダイヤモンドのグラフェン化を制限する、または更には防止するためにダイヤモンド粒子間に位置する触媒材料溶融物による水圧とのバランスを取るように開発される。

【0067】

図８は、１２μｍ～２２μｍのダイヤモンド砥粒及び炭酸ナトリウムが約２２００℃で焼結されることで形成されたダイヤモンドペレットに対して、４７３ｎｍレーザーで励起した緑色波長スペクトル内の光発光強度を有するルミネッセンスダイヤモンドの効果を、ダイヤモンド含有量の関数として示すグラフ９０である。グラフに示されるように、ルミネッセンスダイヤモンドの光発光強度は、ダイヤモンド砥粒または粒子が約３０ｗｔ％を超える炭酸ナトリウムと混合されると低下する。炭酸ナトリウムは、約５ＧＰａ～７ＧＰａの間の焼結圧力で１４００℃超の温度で溶融する。使用される炭酸ナトリウム含有量が約３０ｗｔ％を上回る場合、ダイヤモンド粒子は炭酸ナトリウム溶融物で完全に取り囲まれるため、ＨＰＨＴ焼結中の直接的なダイヤモンド／ダイヤモンドの点接触は少なくなる。これにより、塑性変形のためにダイヤモンド粒子に加えられるせん断応力が少なくなるため、ダイヤモンド格子内部に生成される窒素空孔中心が少なくなる。また窒素空孔中心が少ないと、ダイヤモンド粒子内部のＮＶＮ光学中心も少なくなり、これは、増加した炭酸ナトリウム含有量内の緑色光発光強度が低下することを説明する。炭酸ナトリウム含有量が約２０ｗｔ％未満である場合、緑色光発光強度の著しい低下も起こる。炭酸ナトリウム含有量が低い場合、より直接的なダイヤモンド／ダイヤモンド粒子の点接触が起こるが、ＨＰＨＴ焼結中にダイヤモンド圧力自由表面を覆うのに十分な炭酸ナトリウムが存在しない。したがって、覆われていないダイヤモンド表面が焼結後にグラフェン化される可能性がより高い。

【0068】

図９は、異なるダイヤモンド（ダイヤモンド砥粒及び炭酸ナトリウム）含有量を有する、図８を参照して上述された方法で形成されたダイヤモンドペレット１００、１０２、１０４、１０６、及び１０８の焼結後の破面を示す。ダイヤモンドペレット１００は７０ｗｔ％または３０ｗｔ％の炭酸ナトリウムのダイヤモンド含有量を有し、ダイヤモンドペレット１０２は７５ｗｔ％または２５ｗｔ％の炭酸ナトリウムのダイヤモンド含有量を有し、ダイヤモンドペレット１０４は８０ｗｔ％または２０ｗｔ％の炭酸ナトリウムのダイヤモンド含有量を有し、ダイヤモンドペレット１０６は８５ｗｔ％または１５ｗｔ％の炭酸ナトリウムのダイヤモンド含有量を有し、ダイヤモンドペレット１０８は９０ｗｔ％または１０ｗｔ％の炭酸ナトリウムのダイヤモンド含有量を有する。示されるように、ダイヤモンド含有量が増加するにつれて、ダイヤモンドペレットの色が暗くなる。これは、上記で説明されたダイヤモンドのグラフェン化に関連している。ダイヤモンド含有量が８５ｗｔ％である場合、焼結ダイヤモンドペレット１０６は灰色であり、これは、図８に示される、８５ｗｔ％のダイヤモンド含有量のダイヤモンドの特定された発光強度の低下に対応する。したがって、この情報に基づいて、最適な組成範囲はダイヤモンド含有量の約７５ｗｔ％～８０ｗｔ％の間であるが、そのような組成は、所望のルミネッセンス、触媒材料などを含む、幾つかの要因に基づいて異なり得る。

【0069】

発光強度がダイヤモンドのグラフェン化を防ぐ方法、及びＨＰＨＴ焼結中にダイヤモンド粒子が受ける所望の度合いのせん断応力量を与える方法も制限することに依存することができるため、ダイヤモンド粒子及び炭酸ナトリウムが結合する方法もまたその役割を果たすことができる。一例では、ダイヤモンド砥粒及び炭酸ナトリウムの総重量に基づいて、ダイヤモンド砥粒または粒子と炭化ナトリウム材料との間で均一な混合を有することが望ましい場合がある（例えば、不均一な混合物が所望のダイヤモンド含有量（例えば、７５ｗｔ％～８０ｗｔ％）から最適な組成窓をシフトさせるように機能し得る）。ほとんどの場合、ダイヤモンド砥粒と炭酸ナトリウムとの組み合わせまたは混合があまり均一でない状況でのダイヤモンドのグラフェン化を防ぐために、より多くの炭酸ナトリウムが必要となり得る。特定の最適なダイヤモンド含有量の窓が提供されているが、異なるタイプの非触媒溶媒（例えば、炭酸ナトリウム以外のもの）の使用もまた、異なる最適な焼結組成を有することを理解されたい。

【0070】

一例では、本明細書に開示されるＨＰＨＴプロセスによって作製されるルミネッセンスダイヤモンドは、所望の量の緑色光発光強度を与えるためにダイヤモンド含有量を最適化する、ダイヤモンド及び触媒材料（例えば、炭酸ナトリウム）の総重量に基づいて、７０～１００ｗｔ％、８０～９５ｗｔ％、８０ｗｔ％超、及び特定の例では約８５ｗｔ％のダイヤモンド含有量を有し得る。一例では、光発光強度は、水中のルミネッセンスダイヤモンドの懸濁液の形態で与えられたルミネッセンスダイヤモンドから決定され、そのような形態は、医療診断用途などの特定の使用用途に関連していてもよい。そのような例では、上述のようにより高い（例えば、約８０ｗｔ％を超の）ダイヤモンド含有量を有するルミネッセンスダイヤモンドが懸濁液の形態で与えられる場合、所望のより高い量の光発光強度を与えることが分かった。

【0071】

一例では、例えば約８０ｗｔ％を超えて、増加したダイヤモンド含有量を含むルミネッセンスダイヤモンドは、炭酸ナトリウムなどの炭酸塩触媒と組み合わされた、平均粒子径１２μｍ～２２μｍを有するダイヤモンド砥粒の混合物を使用して形成される。混合物は、セルまたはプレスを通して非対称圧力または差圧を導入して、または導入せずに、上記のＨＰＨＴ処理条件を受ける。一例では、使用されるＨＰＨＴプロセスは、約２２００℃の温度で行われるプロセスであり、非対称圧力または差圧を加えない。得られたルミネッセンスダイヤモンドを含むペレットの形態で提供される。所望のルミネッセンスダイヤモンド懸濁液を調製する目的で、ルミネッセンスダイヤモンドペレットを洗浄して炭酸ナトリウムを除去する。一例では、ペレットを洗浄するために使用される材料は、ルミネッセンスダイヤモンドペレット中に存在する触媒のタイプ、及びルミネッセンスダイヤモンドペレットから除去するために触媒材料を可溶化する触媒のタイプに依存する。触媒が炭酸ナトリウムである一例では、水を使用してルミネッセンスダイヤモンドペレットを洗浄し、炭酸ナトリウムを除去する。一例では、ルミネッセンスダイヤモンドペレットは、洗浄プロセス中に加熱または沸騰水中に置かれる。次いで、洗浄されたルミネッセンスダイヤモンドペレットをミリングして、またはその他の方法でサイズを縮小させて、ナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子を生成する。一例では、ルミネッセンスダイヤモンド粒子は、約１００ナノメートルの平均粒子径を有する粒子に粒子径分級される。特定の粒子径が開示されているが、ルミネッセンスダイヤモンド粒子がフォトルミネッセンス内の同様の特徴を有する、１００ナノメートルより大きいまたは小さい粒子径に分級され得、所望の輝度を維持することを理解されたい。一例では、ナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子は、空気環境中で約４００～５５０℃の温度で熱処理される。熱処理温度は、ルミネッセンスダイヤモンド粒子の特定の粒子径に応じて異なり、例えば、より大きい粒子径のルミネッセンスダイヤモンド粒子は、より小さい粒子径のルミネッセンスダイヤモンド粒子よりも高い温度で熱処理され得る。ルミネッセンスダイヤモンド粒子が約１００ナノメートルの平均粒子径を有する一例では、熱処理温度は、約５００～５２５℃であり得る。

【0072】

図１０－１は、脱イオン水中の０．１ｗｔ％懸濁液中に、４７３ｎｍレーザーで照射された１００ナノメートルのルミネッセンスダイヤモンドの発光応答１１２のグラフ１１０である。ナノダイヤモンド材料は、約８５％の１２～２２μｍダイヤモンドと約１５％の炭酸ナトリウムとの混合物をＨＰＨＴ処理した後、リンス処理して炭酸ナトリウムを除去し、約１００ｎｍまでダイヤモンドをミリングし、約５１５℃で熱処理することによって作成された。最大光発光強度１１４は、約５２０～５５０ｎｍの間の波長で観察された。

【0073】

図１０－２は、水性懸濁液の形態で与えられる、上記に開示された１００ｎｍのルミネッセンスダイヤモンド粒子に対して、４７３ｎｍレーザーで励起された緑色波長スペクトル内の最大光発光強度を有するルミネッセンスダイヤモンドの効果を示すグラフ１２０である。ルミネッセンスダイヤモンド材料は、１２～２２μｍのダイヤモンドと炭酸ナトリウムとの様々な組成のＨＰＨＴ処理によって作製され、これらは約７０％～１００％がダイヤモンド、残りが炭酸ナトリウムであった。一例では、ルミネッセンスダイヤモンド懸濁液は、脱イオン水中に１００ｎｍのルミネッセンスダイヤモンド粒子を分散させ、０．１ｗｔ％の懸濁液（すなわち、粒子及び水の総重量に基づいて、０．１ｗｔ％の１００ｎｍルミネッセンスダイヤモンド粒子を含む）を形成することによって調製された。グラフ１２０に示されるように、ルミネッセンスダイヤモンド溶液の光発光強度は、ＨＰＨＴ処理中のダイヤモンド含有量が約７０ｗｔ％から増加するにつれて向上し、約８５ｗｔ％で最大光発光強度に達するように見える。すべてのサンプルは、上述の図１０－１に示されたものと同様に、約５２０～５５０ナノメートルの間の最大発光強度を有した。

【0074】

２つの異なるルミネッセンスダイヤモンド懸濁液の光発光強度を図１０－２に示し、１つの懸濁液１２２は約５００℃で熱処理されたダイヤモンド粒子を含み、別の懸濁液１２４は約５１５℃で熱処理されたダイヤモンド粒子を含む。図示のように、約５１５℃で熱処理された約８５ｗｔ％のダイヤモンドを有するルミネッセンスダイヤモンド懸濁液は、約５００℃のより低い温度で熱処理された約８５ｗｔ％のダイヤモンドを有するルミネッセンスダイヤモンド懸濁液よりも高い光発光強度を示した。この結果は、より高い温度での熱処理が光発光強度の増加に与える有益な影響を示す。しかしながら、熱処理温度によって、ルミネッセンスダイヤモンドがグラフェン化する場合があることに意味があり、その場合、光発光強度が下がるまたは低くなるように機能する。したがって、懸濁液中に与えられるナノサイズのルミネッセンスダイヤモンド粒子は、光発光強度を最適化する目的で、開示された温度範囲内で熱処理され、不要なダイヤモンドのグラフェン化を引き起こさないことが望ましい。実際、幾つかの実施形態では、熱処理の温度は、所望の光発光強度を得るのに重要であることができる。また、熱処理前のダイヤモンド粒子の色が（すなわち、グラファイトによって）暗くなる場合、上記に開示された温度範囲での熱処理は、グラファイト層を燃焼終了して（例えば、完全燃焼終了して）、光発光強度を上げるように機能する。しかしながら、少なくとも幾つかの実施形態では、ダイヤモンド粒子が燃焼終了するのを防ぐために熱処理温度が高すぎないことが望ましい。したがって、上記に提供される熱処理温度範囲は、ダイヤモンドが燃焼終了することによるダイヤモンドの重量損失を有するという潜在的な欠点なしに、増加した光発光強度を得るという潜在的な利点とのバランスを取るように機能する。一例では、約５００℃の熱処理温度は、このバランスを提供するが、熱処理プロセスまたはサイクルの間、ダイヤモンド粒子が暗くならない（すなわち、グラファイト化しない）ことを確保する。

【0075】

図１０－２のグラフ１２０に示されるように、ルミネッセンスダイヤモンド懸濁液の光発光強度は、ダイヤモンド含有量が約８５ｗｔ％を超えると低下し始める。しかしながら、９０ｗｔ％、更には１００ｗｔ％を有するルミネッセンスダイヤモンド懸濁液の光発光強度は、７０ｗｔ％のダイヤモンドのみを有するルミネッセンスダイヤモンド懸濁液の光発光強度よりも大きいことが示される。したがって、このグラフ１２０は、例えば約８０ｗｔ％を上回る、ダイヤモンド含有量の増加によって、懸濁液の形態で与えられた本明細書に開示されるナノサイズのルミネッセンスダイヤモンドの光発光強度の増大がもたらされるという正の影響を説明するのに役立つ。

【0076】

光発光強度を測定する際に、任意の適切な方法が使用され得る。例えば、時間分解フォトルミネッセンスを使用して、光パルスでサンプルを励起させ、時間に対する減衰を測定し得る。測定期間にわたってピーク強度が使用されてよい。当然のことながら、他の方法も使用され得る。幾つかの実施形態では、強度は、単位のない測定値である、または単位がないように正規化されてもよい。

【0077】

ルミネッセンスダイヤモンドの幾つかの例示的な実施形態が上記で詳細に説明されてきたが、当業者には、特許請求の範囲及び本開示の範囲から実質的に逸脱することなく、例示的な実施形態において多くの変更が可能であることが容易に理解されよう。例えば、本明細書に開示されるルミネッセンスダイヤモンドは、生物学的最終用途との関連で提示されている。本明細書に開示されるルミネッセンスダイヤモンドは所望の改善されたレベルの発光強度が有用または有益である生物学的以外の最終用途で使用されてもよいことを理解されたい。ルミネッセンスダイヤモンド（例えば、窒素空孔中心を含むもの）の他の潜在的な用途は、磁気センサ、高解像度サーモグラフィ、顕微鏡センサアレイ、偽造防止対策、イオン濃度監視、膜電位測定、光トラップ、及びひずみ／圧力センサを含むが、これらに限定されない。したがって、本明細書に開示されるルミネッセンスダイヤモンドが１つの特定の最終使用用途に限定されることを意図したものではないことが理解される。

【0078】

他の実施形態では、ＨＰＨＴ条件は、記載されているが、異なるＨＰＨＴ条件が使用され得るため、例示にすぎない。例えば、本明細書に記載の材料は、異なるプレス技術を使用して、異なる触媒材料の存在下で、または無数にある他の様々なものを用いて形成され得る。したがって、圧力または温度条件は、異なる実施形態によって異なり得る。例えば、あるＨＰＨＴプレス設計は、異なるＨＰＨＴプレス設計とは異なる条件を使用し得る。したがって、ルミネッセンスダイヤモンドのプロセスの変更形態及び最終使用用途は、以下の特許請求の範囲で定義される本開示の範囲内に含まれることを意図したものである。

【0079】

本明細書の説明では、本開示の幾つかの実施形態の様々な態様の理解を容易にするために、様々な関係用語が使用され得る。「頂部」、「底部」、「上方」、「下方」、「左」、「右」などの関係用語を使用して、１つ以上の他の構成要素に対するそれらの動作位置または図示位置を含む、様々な構成要素を説明し得る。関係用語は、本明細書の範囲または特許請求の範囲内の実施形態ごとに特定の向きを指示するものではないが、様々な構成要素への参照を容易にする際の便宜を意図したものである。したがって、それらのような関係の態様は、逆転されても、反転されても、回転しても、空間内で移動しても、対角線上の向きもしくは位置に置かれても、水平もしくは垂直に置かれても、または同様に変更されてもよい。

【0080】

「第一」、「第二」、「第三」などとしての構成要素の特定の説明または呼称は、本明細書または特許請求の範囲で、同一の構成要素の間、または用途、構造、もしくは動作が類似する構成要素の間で区別するために使用され得る。このような文言は、構成要素を単数形の呼称に限定すること、または複数の構成要素を要求することを意図したものではない。このように、本明細書では「第一」構成要素として参照される構成要素は、特許請求の範囲内で「第一」構成要素として参照される構成要素と同じであっても、または異なってもよく、請求項は、「第二」構成要素の存在を必要とすることなく「第一」構成要素を含んでよい。

【0081】

更に、本明細書または特許請求の範囲は、「追加の」または「他の」要素、特徴、態様、構成要素などを指す場合があるが、追加の要素の単一または複数の要素が存在することを排除するものではない。特許請求の範囲または本明細書が「ａ」または「ａｎ」要素を言及する場合、そのような言及は、その要素が１つだけであると解釈されるのではなく、代わりに他の構成要素を包含し、その要素のうちの「少なくとも１つ」と理解される。本明細書では、構成要素、特徴、構造、機能、または特性が「含まれ得る」、「含まれてもよい」、「含まれることができる」、または「含まれる可能性がある」と述べられる場合、その特定の構成要素、特徴、構造、または特性は、ある特定の実施形態では提供されるが、本開示の他の実施形態では任意選択である。「結合する」、「結合された」、「接続する」、「接続」、「接続された」、「と接続して」、及び「接続すること」という用語は、「と直接接続して」、または「と１つ以上の中間要素もしくは部材を介して接続して」を指す。「一体の」または「一体に」形成される構成要素は、同じ成形もしくは鋳造プロセスで、同じ材料から一般に成形もしくは鋳造されること、または同じ材料在庫から一般に機械加工されることなどによって、同じ材料片、または材料セットから作られる構成要素を含む。また「一体」である構成要素を合わせて「結合する」ことも理解されたい。

【0082】

更に、本開示の「１つの実施形態」、「一実施形態」、または「一例」に対する言及は、列挙される機構も組み込む追加の実施形態または例の存在を除外すると解釈されることを意図したものではないことを理解されたい。例えば、本明細書のある実施形態に関連して説明された任意の要素は、本明細書に記載された任意の他の実施形態の任意の要素と組み合わせ可能であってよい。

【0083】

本明細書に記載される数、パーセンテージ、比率、または他の値は、その値だけでなく、本開示の実施形態によって包含される、当業者によって理解されるような、記載される値の「約」または「おおよそ」である他の値も含むことを意図したものである。したがって、記載される値は、少なくとも所望の機能を果たす、または所望の結果を達成するために、記載される値に十分に近い値を包含するのに十分に広く解釈されたい。記載される値は、適切な製造または生産プロセス中に予想されるばらつきを少なくとも含み、記載される値の５％以内、１％以内、０．１％以内、または０．０１％以内の値を含み得る。

【0084】

本明細書で使用される「おおよそ」、「約」、及び「実質的に」という用語は、標準的な製造またはプロセスの公差以内である、記載される量に近い量、またはそれでも所望の機能を果たす、または所望の結果を達成する量を表す。例えば、「おおよそ」、「約」、及び「実質的に」という用語は、記載された量の５％未満の範囲内、１％未満の範囲内、０．１％未満の範囲内、及び０．０１％未満の範囲内である量を指してよい。更に、前述の本明細書におけるいずれの方向または参照フレームも、相対的な方向または運動に過ぎないことを理解されたい。例えば、「上」及び「下」、または「より上」または「より下」へのいずれかの言及は、関連する要素の相対的な位置または運動を説明するに過ぎない。

【0085】

様々な例示的な実施形態が本明細書で詳細に説明されているが、当業者には、本開示から実質的に逸脱することなく、例示的な実施形態において多くの変更が可能であることが本開示の観点から容易に理解されよう。したがって、そのような任意の変更は、本開示の範囲内に含まれることを意図したものである。同様に、本明細書の本開示は多くの詳細を含むが、これらの詳細は、本開示の範囲または添付の特許請求の範囲のいずれかを限定するものとして解釈されるべきではなく、単に、本開示の範囲及び添付の特許請求の範囲の内に含み得る１つ以上の特定の実施形態に関する情報を提供するものとして解釈されるべきである。開示された様々な実施形態からの任意の説明された特徴は、組み合わせて使用されてよい。

【0086】

特許請求の範囲では、ミーンズプラスファンクション条項は、説明した機能を行うものとして本明細書に説明される構造体、及び構造的均等物だけでなく、均等な構造体も網羅することを意図したものである。したがって、釘及びねじは、釘が円筒面を使用して木製部品を合わせて固定するのに対し、ねじが螺旋面を用いるという点で構造的均等物ではあり得ないが、木製部品を締結する環境では、釘及びねじは均等な構造体であり得る。請求項が関連する機能と共に「その手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」という言葉を明示的に使用しているものを除き、本明細書の請求項のいずれかの任意の限定について特許請求するミーンズプラスファンクションタイプを援用しないことは、本出願人の明示的な意図である。

【0087】

本開示の末尾にある要約は、読者が本開示の幾つかの実施形態の一般的な性質を迅速に把握することを可能にするために提供される。これは、特許請求の範囲または意味を解釈するために、または限定するために使用されないことを理解した上で提出される。

【図1-1】

【図1-2】

【図2-1】

【図2-2】

【図2-3】

【図2-4】

【図2-5】

【図3-1】

【図3-2】

【図3-3】

【図4-1】

【図4-2】

【図5-1】

【図5-2】

【図6-1】

【図6-2】

【図7-1】

【図7-2】

【図8】

【図9】

【図10-1】

【図10-2】

【国際調査報告】