Synthetische Diamanten sind reiner, schöner und günstiger als natürliche

 (worksinprogress.co)
1 Punkte von GN⁺ 2024-09-10 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Diamant ist ein Material aus einem dreidimensionalen Gitter von Kohlenstoffatomen; Labortechnologien entwickeln sich dahin, die Verunreinigungen, Förderkosten und Qualitätsgrenzen natürlicher Diamanten zu überwinden und sie schneller und günstiger herzustellen
  • Seit der Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese (HPHT) von General Electric in den 1950er-Jahren wurden Metalllösungsmittel, Katalysatoren, Getter und die Steuerung von Temperaturgradienten verbessert, sodass über industrielle Anwendungen hinaus einkristalline Diamanten in Schmuckqualität hergestellt werden können
  • Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wächst Kohlenstoff in einer Niederdruck-Reaktionskammer mithilfe von Wasserstoff und Methan auf einem Diamantkeim; da kein extremer Druck nötig ist, lässt sich der Herstellungsprozess leichter beobachten und steuern
  • Auf dem Schmuckmarkt fiel der Preis für einen nahezu farblosen, VS-klassifizierten runden Brillanten aus synthetischem Diamant mit 1 Karat von 5.440 US-Dollar im Jahr 2016 auf 1.325 US-Dollar im Jahr 2024; in einer Umfrage unter Hochzeitspaaren von 2023 lag der Anteil synthetischer Diamanten bei Verlobungsringen bei 46 %
  • In der Industrie werden synthetische Diamanten für Schneidwerkzeuge, Bohrer, Optik, Wärmeableitung und als Kandidatenmaterial für Halbleiter eingesetzt; für Halbleiter bleiben jedoch Kosten, Wafergröße und n-Typ-Dotierung ungelöste Probleme

Eigenschaften von Diamant und Ziele der Laborherstellung

  • Diamant ist, wie der aus dem Griechischen ἀδάμας abgeleitete Name nahelegt, ein Material, in dem Kohlenstoffatome ein kubisches oder hexagonales Gitter bilden
  • Aufgrund der starken Bindungen und der dichten Atomanordnung ist er der härteste und am schwersten komprimierbare natürliche Stoff
  • Er besitzt sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch einen hohen elektrischen Widerstand, kann aber durch geringe Zugaben von Stickstoff, Phosphor oder Bor zu einem Halbleiter gemacht werden
  • Reiner Diamant ist farblos und weist eine starke Lichtdispersion auf; bestimmte Verunreinigungen können ihm für Schmuck geeignete Farben verleihen
  • In der Natur dauert die Entstehung von Diamanten Milliarden Jahre, und die meisten natürlichen Diamanten enthalten zu viele Verunreinigungen, um für Schmuck oder Hightech-Industrien geeignet zu sein
  • Die Laborherstellung ermöglicht schnellere, reinere und günstigere Diamanten und eröffnet damit Anwendungen, die zuvor schwierig waren

Die Entdeckung, dass Diamant Kohlenstoff ist

  • Antoine-Laurent de Lavoisier führte 1773 im Garten des Louvre ein Experiment durch, bei dem er Sonnenlicht mit einer großen Sammellinse bündelte und Diamanten verbrannte
    • Einige Diamanten verdampften vollständig, andere wurden schwarz und verloren an Masse
    • Lavoisier sah Diamant und Kohle beide als brennbare Stoffe an, konnte aber nicht schlussfolgern, dass es sich um denselben Stoff handelte
  • Smithson Tennant erhitzte 1796 Diamanten in einem geschlossenen Goldgefäß mit Kaliumnitrat, erzeugte dabei Kohlendioxid und maß dessen Menge
    • Da beim Verbrennen der gleichen Masse Holzkohle nahezu dieselbe Menge Kohlendioxid entstand, folgerte er, dass Diamant ausschließlich aus Kohlenstoff besteht
    • Dieses Ergebnis wurde rund 20 Jahre lang skeptisch aufgenommen und erst anerkannt, nachdem andere Wissenschaftler es reproduziert hatten
  • Forscher des 19. Jahrhunderts versuchten, Holzkohle durch Verdampfung, Explosionen, starke Hitze und andere Methoden in Diamant umzuwandeln, hatten damit jedoch keinen Erfolg

Henri Moissans Fehlschlag und die Richtung, die er vorgab

  • Henri Moissan versuchte, Diamanten mithilfe eines elektrischen Lichtbogens, verschiedener Kohlenstoffformen und geologischer Aufzeichnungen zu synthetisieren
  • Aus der Tatsache, dass südafrikanische Diamanten in Gestein vorkamen, das aus tiefen Erdschichten aufgestiegen war, schloss er, dass Druck für den Entstehungsprozess erforderlich ist
  • Im Canyon-Diablo-Meteoriten wurden kleine Diamanten in Eisenklumpen gefunden; Moissan vermutete, dass in geschmolzenem Eisen gelöster Kohlenstoff beim schnellen Abkühlen schrumpfen und Diamanten bilden könnte
  • Moissan erhitzte Eisen und kohlenstoffhaltige Kohle auf 3.000 °C und schreckte sie anschließend mit Wasser, Eisenpulver und Blei ab; er glaubte, Diamanten hergestellt zu haben
  • Später konnten andere Chemiker die Ergebnisse nicht reproduzieren, und es gab auch den Verdacht, dass einer seiner Assistenten Stückchen natürlicher Diamanten hinzugefügt haben könnte
  • Trotz des Fehlschlags erkannte Moissan zutreffend, dass Hochdruck und Hochtemperatur sowie Metalllösungsmittel-Katalysatoren für die Diamantsynthese wichtig sind

General Electric und die HPHT-Synthese

  • 1950 gründete das General Electric Research Laboratory in Schenectady, New York, das Project Superpressure und begann mit der Synthese von Labordiamanten
    • GE sorgte sich über die Kosten für den Import von Diamanten, die zum Ziehen von Wolfram-Filamentdrähten für Glühlampen verwendet wurden
    • Das Unternehmen beschaffte eine hydraulische Presse für 125.000 US-Dollar, zwei Stockwerke hoch und für einen Druck von 1.000 Tonnen ausgelegt
  • Howard Tracy Hall führte am 16. Dezember 1954 ein Experiment mit einem Graphitrohr, Eisensulfid, Tantalscheiben und Diamantkeimen durch
    • Die von ihm entworfene belt press hatte einen Aufbau, bei dem Ambosse von oben und unten die Reaktionszelle komprimierten, während die Seiten von einem vorgespannten Stahlband gestützt wurden
    • Das Experiment lief 38 Minuten lang bei etwa 10 GPa und 1.600 °C
    • Als Hall die Zelle öffnete und die kleinen Flächen oktaedrischer Kristalle glänzen sah, schloss er, dass von Menschen hergestellte Diamanten entstanden waren
  • GE reproduzierte die Ergebnisse in den folgenden zwei Wochen 20-mal und gab am 15. Februar 1955 weltweit die Synthese von Labordiamanten bekannt
  • Die mit Halls Verfahren hergestellten Diamanten hatten nur Durchmesser im Bereich von Tausendstelmillimetern und waren daher nicht für Schmuck geeignet, aber für industrielle Anwendungen wie Schneiden, Polieren, Drahtziehen und Formen von Präzisionsteilen äußerst nützlich
  • Die frühen Industriediamanten von GE waren teurer als natürliche, doch durch die präzise Kontrolle des Wachstumsprozesses ließen sich Form und Regelmäßigkeit nach Bedarf anpassen, und sie bewiesen rasch ihre Überlegenheit

Geheimhaltungsanordnungen und Fortschritte in der Pressentechnik

  • Das US-Handelsministerium beschränkte die Veröffentlichung von Details zu Halls belt press und weitere Hochdruckchemie-Forschung, um den technologischen Vorsprung im Kalten Krieg zu wahren
  • Während des Zweiten Weltkriegs waren die USA bei der Versorgung mit Industriediamanten vom De-Beers-Kartell abhängig; ein Memorandum von 1944 wies darauf hin, dass die USA Monopolpreise für essenzielle Materialien zahlten, die für die Kriegsproduktion benötigt wurden
  • Um die belt press, die Druck nur entlang einer Achse ausübte, zu verbessern, entwickelte Hall 1957 eine tetrahedral press, die Druck aus vier Richtungen ausübte; doch auch dieses Design wurde mit einer Geheimhaltungsanordnung belegt
  • Nach Protesten von Wissenschaftlern und anderen Regierungsbehörden wies das Verteidigungsministerium das Handelsministerium an, die Geheimhaltungsanordnungen für die belt press und die tetrahedral press aufzuheben
  • Als praktischere Methode kam die cubic press zum Einsatz, bei der sechs hydraulische Ambosse auf die sechs Seiten einer würfelförmigen Reaktionszelle drücken
    • Ein Würfel hat im Verhältnis zum Volumen eine kleinere Oberfläche als ein Tetraeder, sodass der erforderliche Druck mit geringerer Kraft erreicht werden kann
  • Sowjetische Wissenschaftler nutzten statt hydraulischer Pressen ein Split-Sphere-Gerät
    • Dabei werden innere und äußere Ambosse, die die Reaktionszelle umgeben, in einer kugelförmigen Struktur angeordnet; Hydraulikflüssigkeit übt von allen Seiten Druck aus und konzentriert ihn auf die zentrale Zelle

Chemie des HPHT-Verfahrens und Kontrolle von Verunreinigungen

  • belt press, cubic press und Split-Sphere-Geräte unterscheiden sich in der Art der Druckübertragung, doch die Chemie in der Reaktionszelle ist dieselbe
    • Graphit wird unter Hochdruck und Hochtemperatur mithilfe eines Metalllösungsmittels und kleiner Diamantkeime in Diamant umgewandelt
  • Bei niedrigen Drücken und Temperaturen ist Graphit die stabilste Kohlenstoffphase
    • Graphit besitzt eine zweidimensionale Schichtstruktur, in der jedes Kohlenstoffatom kovalent mit drei Kohlenstoffatomen verbunden ist
  • Bei hohem Druck wird Diamant zur stabileren Kohlenstoffform
    • Jedes Kohlenstoffatom bildet kovalente Bindungen mit vier Kohlenstoffatomen und erzeugt so ein dichtes dreidimensionales Gitter
  • Um Graphit direkt in Diamant umzuwandeln, tritt die Strukturänderung bei 15 GPa und 3.000 °C ein; da es jedoch schwierig ist, Temperatur und Druck gleichmäßig zu halten, entstehen leicht kleine, raue Diamanten
  • Hersteller senken die erforderlichen Bedingungen mithilfe von Metalllösungsmittel-Katalysatoren
    • Diamantkeime, Graphit und ein Übergangsmetall-Lösungsmittel wie Eisen werden auf 1.300 °C–1.800 °C erhitzt und einem Druck von 5–7 GPa ausgesetzt
    • Das geschmolzene Metall löst den Graphit und zerlegt ihn in einzelne Kohlenstoffatome
    • Wird der Keim auf einer niedrigeren Temperatur als das Metall gehalten, scheiden sich Kohlenstoffatome auf der Oberfläche des Keims ab und der Diamant wächst
    • Dieser Prozess dauert mehrere Wochen, ist aber leichter zu steuern als die direkte Synthese und ermöglicht größere, reinere und konsistentere Einkristallstrukturen
  • Die bei der Synthese hauptsächlich zu kontrollierenden Verunreinigungen sind Stickstoff und Bor
    • Stickstoff färbt Diamanten gelb, Bor blau
    • Getter wie Aluminium, Titan und Zirconium absorbieren Stickstoff und Bor und verhindern deren Einbau in das Gitter
    • Wenn gelbe oder blaue Diamanten gewünscht sind, können während der Herstellung leicht Stickstoff oder Bor zugegeben werden
  • Rosa Diamanten entstehen, indem nach Zugabe von Stickstoff bestrahlt und erhitzt wird, um nitrogen-vacancy center zu erzeugen; dieser Defekt verursacht die rosa Farbe
    • Rosa Diamanten wurden als Mittel zum Speichern und Manipulieren von Quanteninformation bei Raumtemperatur vorgeschlagen

CVD: ein Herstellungsverfahren, das die Natur nicht nachahmt

  • In den 1950er-Jahren erforschten US-amerikanische Industrielabore und die Akademie der Wissenschaften der Sowjetunion die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), bei der die natürlichen Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen nicht nachgebildet werden
  • CVD ist ein Herstellungsverfahren, bei dem ein Feststoff aus einem Dampf abgeschieden wird, in dem chemische Reaktionen ablaufen
    • Um Diamanten herzustellen, muss Kohlenstoff bei hoher Temperatur in ein Gas aus einzelnen Atomen überführt und beim Abkühlen dazu gebracht werden, in der Diamantstruktur zu kristallisieren
  • William Eversole von Union Carbide schrieb 1958 in einem Patent, dass sich Diamant schneller als Graphit abscheidet, wenn Methan oder Kohlenmonoxid bei niedrigem Druck und 900–1.100 °C zusammen mit Diamantsamen erhitzt wird
    • Das war damals ein unerwartetes Ergebnis, weil Graphit thermodynamisch stabiler ist
    • Die anfängliche Wachstumsrate lag bei etwa 0,01 µm/h und war damit zu langsam für eine Kommerzialisierung
  • Das Forschungsteam von John Angus an der Case Western Reserve University wechselte zwischen Wachstumszyklen und Graphit-Reinigungszyklen und stellte fest, dass die Reaktion schneller wird, wenn der zur Reinigung verwendete Wasserstoff in atomaren Wasserstoff gespalten wird
  • Sowjetische Forscher entdeckten, dass atomarer Wasserstoff während der Wachstumsphase die Bildung von Graphit unterdrücken und entstandenen Graphit wieder entfernen kann, sodass kein separater Reinigungsschritt nötig ist und die Wachstumsrate steigt
  • Mutsukazu Kamo, Seiichiro Matsumoto, Yoichiro Sato und andere am japanischen National Institute for Research in Inorganic Materials spalteten Wasserstoff mit heißen Wolframfilamenten, Mikrowellen und Lichtbögen in atomaren Wasserstoff und steigerten die Wachstumsrate auf mehrere µm/h
    • Weil diese Arbeit detaillierte Verfahren offenlegte, konnten andere Wissenschaftler sie reproduzieren und erweitern; Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen in Japan, den USA und Europa stiegen in das Feld ein

Funktionsweise moderner CVD-Reaktoren

  • In modernen CVD-Reaktoren werden mehrere Diamantsamen in eine Vakuumkammer gelegt; als Reaktionsgas dienen überwiegend Wasserstoff und meist weniger als 1 % Methan
  • Die Diamantsamen werden auf 800 °C–1.200 °C erhitzt, während Mikrowellen das Wasserstoffgas auf 2.000 °C–5.000 °C erhitzen und in atomaren Wasserstoff zerlegen
  • Ein Teil des atomaren Wasserstoffs reagiert mit Kohlenstoff an der Diamantoberfläche und erzeugt eine wasserstoffterminierte Oberfläche, die verhindert, dass sich der Diamantkristall zu Graphit umstrukturiert
  • Gleichzeitig entzieht atomarer Wasserstoff dem Methan ein Wasserstoffatom und bildet ein methyl radical; der Kohlenstoff dieses Radikals bindet an die Diamantoberfläche und bewirkt Wachstum
  • Diamanten in Edelsteingröße können je nach gewünschter Größe mehrere Wochen benötigen
  • Ein großer Vorteil von CVD ist, dass die Reaktionskammer keinem Extremdruck ausgesetzt ist, wodurch sich der Bildungsprozess leichter beobachten und steuern lässt
  • CVD-Reaktoren sind weniger kapitalintensiv als HPHT-Pressen
  • Hersteller können physikalische, mechanische, thermische und optische Eigenschaften durch die Steuerung von Temperatur, Druck, Reaktionszeit und Verunreinigungen im Reaktionsgas präzise auslegen
  • Durch Verbesserungen wie leicht erhöhten Reaktionskammerdruck, stärkere Mikrowellen oder die Zugabe kleiner Mengen Stickstoff und Sauerstoff zum Katalysator wurde das Wachstum großer Diamanten in Schmuckqualität möglich

Wie man synthetische Diamanten unterscheidet

  • Synthetische Diamanten in reiner Form und natürliche Diamanten sind physikalisch, chemisch und optisch identisch
  • Gutachter unterscheiden beide, indem sie die während der Entstehung eingeschlossenen Verunreinigungen und Wachstumsmuster untersuchen
  • Mit besserer Herstellungstechnik lassen sich synthetische Diamanten reiner herstellen als im Erdinneren entstandene Diamanten
  • Im oberen Marktsegment lassen sich synthetische und natürliche Diamanten mit bloßem Auge nicht unterscheiden
  • Natürliche Diamanten enthalten fast immer Stickstoff
    • Viel Stickstoff erzeugt eine gelbe oder braune Färbung und ist selbst in farblosen Diamanten mit optischer Spektroskopie nachweisbar
    • Natürliche Diamanten ohne Stickstoff sind sehr selten und teuer
    • Bei synthetischen Diamanten wird Stickstoff fast immer ausgeschlossen
  • HPHT-Diamanten können Spuren der bei der Herstellung verwendeten Metallkatalysatoren enthalten
    • Bei hoher Konzentration lassen sich Eisen- und Kobaltverunreinigungen sogar mit starken Magneten erkennen
  • CVD-Diamanten enthalten mitunter Graphit, der als kleine Punkte, kometenartige Formen oder flache Wolken erscheinen kann
  • HPHT-Diamanten wachsen meist unter gleichmäßigem Druck, sodass Spuren des Wachstums in kubischer und oktaedrischer Richtung als feine Linien zurückbleiben können
  • CVD-Diamanten sind kubisch, weil sie schichtweise abgeschieden werden
  • Weil die Unterscheidung schwierig ist, gravieren Bewertungsinstitute auf die Ränder synthetischer Diamanten eine bei 20-facher Vergrößerung sichtbare Kennzeichnung LG oder Laboratory-Grown

Wandel des Schmuckmarkts

  • Die Tradition, Diamanten in Verlobungsringen zu verwenden, etablierte sich durch eine Werbekampagne des De-Beers-Kartells
    • Als die Diamantverkäufe während der Großen Depression zurückgingen, nutzte De Beers Hollywood-Schauspieler und Persönlichkeiten der High Society, um Diamantringe mit Heiratsanträgen zu verknüpfen
    • Der Slogan „A Diamond Is Forever“ wurde verwendet, und auch die Botschaft verbreitet, Männer sollten einen bestimmten Anteil ihres Einkommens ausgeben
  • Diese Tradition funktionierte, weil Menschen ein gesellschaftlich anerkanntes Signal der Bindung wollten
    • Der hohe Preis war ein kostspieliges Signal für Wohlstand und Hingabe
    • Außerdem hatte er zeitweise auch den Charakter einer Versicherung gegen das Brechen eines Eheversprechens
  • Synthetische Diamanten sind von natürlichen schwer zu unterscheiden, aber deutlich günstiger und weiter im Preis fallend, was das bisherige Gleichgewicht ins Wanken bringt
  • Nach Zahlen von Paul Zimnisky fiel der Preis für einen runden Brillanten aus synthetischem Diamant mit 1 Karat, beinahe farblos und mit sehr geringen Einschlüssen, von 5.440 US-Dollar im Jahr 2016 auf 1.325 US-Dollar im Jahr 2024
    • Ein entsprechender natürlicher Diamant sank von 6.538 US-Dollar auf 5.035 US-Dollar
  • Eine Umfrage von The Knot unter fast 10.000 Paaren, die 2023 geheiratet hatten, ergab, dass in Verlobungsringen synthetische Diamanten 46 % und natürliche Diamanten 39 % ausmachten
    • Der Anteil synthetischer Diamanten ist seit 12 % im Jahr 2019 gestiegen
  • Diamanten werden als Symbol der Verlobung wohl bestehen bleiben, doch der Stein selbst verliert als Symbol für Wohlstand oder Opferbereitschaft an Kraft
  • Da synthetische Diamanten klarer und farbloser oder in auffälligeren Farben hergestellt werden können, verlangen Verbraucher stärker nach Schliff-, Polier- und Fassungsdesign sowie Fertigungsqualität
  • Das nur bei perfekt geschliffenen runden Brillanten sichtbare optische Muster hearts and arrows ist ein Beispiel für diesen Wandel
    • Das International Gemological Institute begann angesichts steigender Nachfrage, das Vorhandensein von hearts-and-arrows-Mustern in seinen Bewertungszertifikaten zu vermerken

Heutige Anwendungen von Industriediamanten

  • Die meisten Diamanten werden nicht als Schmuck, sondern für industrielle Zwecke produziert
  • Diamant wird wegen seiner hervorragenden physikalischen, optischen, thermischen, chemischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften in Fertigung, Bauwesen, Bergbau, Medizin und Elektronik eingesetzt
  • Natürliche Diamanten enthalten viele Verunreinigungen und leisten in industriellen Anwendungen weniger als synthetische Diamanten
  • Synthetische Diamanten lassen sich stabiler und günstiger nach geforderten Spezifikationen herstellen und haben natürliche Diamanten im Industriemarkt schon vor Jahrzehnten überholt
  • Die häufigsten Anwendungen sind harte Schneidkanten, Bohrkronen, Schleif- und Polierwerkzeuge sowie Schleifmittel
    • Sie können in Metallbeschichtungen eingebettet oder auf Metallkerne aufgebracht werden, um Sägen zum Schneiden von Stein, Beton, Asphalt, Ziegeln, Glas, Keramik und Metall herzustellen
  • polycrystalline diamond-Bohrkronen werden hergestellt, indem Diamantpartikel unter hohem Druck und hoher Temperatur verschmolzen werden; bei Öl- und Gasbohrungen sind sie stärker, schneller und langlebiger als Wolframcarbid
    • In mehrere Kilometer tiefen Bohrlöchern muss zum Austausch einer abgenutzten Bohrkrone der gesamte Bohrstrang hochgezogen und zerlegt werden
    • Diamantbestückte Bohrkronen verringern diese Austauschvorgänge und senken so die Kosten
    • Einige sehr harte Gesteine lassen sich ohne Diamantbohrkronen nicht erbohren
  • Diamantbestückte Bohrer werden auch verwendet, um Löcher in Glas, Stein, Keramik und Zähne zu bohren
  • Je stärker Legierungen, Polymere, Keramiken und Verbundwerkstoffe entwickelt werden, desto wahrscheinlicher wird es, dass zum Schneiden und Bearbeiten Diamantwerkzeuge benötigt werden

Potenzial in Optik und Lasern

  • Diamant ist transparent, leitet Wärme schnell ab und dehnt sich bei hohen Temperaturen kaum aus, wodurch er als optisches Material großes Potenzial hat
  • Hochleistungslaser werden zum Schneiden, Schweißen, Erfassen, Zünden und in der medizinischen Chirurgie eingesetzt; herkömmliche Komponenten werden durch große Hitze beschädigt oder altern, was die Leistung begrenzt
  • thermal lensing ist ein Phänomen, bei dem hohe und ungleichmäßige Temperaturen die Brechung im optischen Fenster eines Lasers verändern und Fokus sowie Ausrichtung des Strahls verschlechtern
  • Diamant eignet sich als Fenstermaterial für Laser, weil er Wärme gut leitet, Licht gut durchlässt und sein Brechungsindex sich mit der Temperatur nur wenig verändert
  • Diamant kann auch als heat spreader zur Kühlung anderer Komponenten im Laserinneren dienen und so die maximal erzeugbare Leistung erhöhen
  • Es wird zudem daran geforscht, Diamant als aktives Lasermedium zur Lichtverstärkung zu nutzen
    • Dafür braucht es Diamanten, die größer, reiner und strukturell perfekter sind als das, was die Natur liefert

Diamant als Halbleitermaterial

  • Diamant ist wegen seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und seiner großen Bandlücke auch als Halbleiter vielversprechend
  • Die Regelmäßigkeit des Diamantgitters und die starken Bindungen ermöglichen eine schnelle und effiziente Wärmeübertragung
  • Eine große Bandlücke bedeutet, dass hohe Temperaturen und Spannungen beherrschbar sind; das ist nützlich für Geräte unter Extrembedingungen, etwa in Motoren, Funktürmen, Bohranlagen, Raumfahrzeugen, Solarpanels und Stromnetzen
  • Die Wärmeleitfähigkeit von Silizium beträgt 1,5 W/cm·K, die von Diamant 22 W/cm·K
    • Mit der steigenden Zahl von Transistoren auf Mikrochips und der Verkleinerung der Chips ist die Wärmeabfuhr zu einem größeren Problem geworden
    • Wärme verringert die Leistung von Mikrochips und begrenzt, wie dicht Transistoren angeordnet werden können
    • Diamant wird bereits in bestehenden siliziumbasierten Chips als Heat Spreader eingesetzt
  • Die Bandlücke von Diamant beträgt 5,45 eV und ist damit größer als die 1,1 eV von Silizium
    • Der Wert für den elektrischen Durchbruch liegt bei Diamant bei 10 mV/cm, bei Silizium bei 0,3 mV/cm
    • Diamant eignet sich besser für Hochspannungsanwendungen wie Stromerzeugung und -verteilung
    • Bei gleicher Spannung wird weniger Material benötigt, sodass Chips kleiner gebaut werden können
  • Auch die Beweglichkeit von Elektronen und Löchern ist im Vergleich zu Halbleitern mit großer Bandlücke hoch
    • Konservative Schätzungen liegen bei einer Elektronenbeweglichkeit von 1.000 cm²/Vs und einer Lochbeweglichkeit von 2.000 cm²/Vs
    • Es wurden auch Fälle mit einer Elektronenbeweglichkeit von 4.500 cm²/Vs und einer Lochbeweglichkeit von 3.800 cm²/Vs berichtet
    • Silizium hat eine Elektronenbeweglichkeit von 1.500 cm²/Vs und eine Lochbeweglichkeit von 480 cm²/Vs

Verbleibende Hürden für Diamant in Halbleitern

  • Derzeit ist Diamant trotz jüngster Fortschritte etwa 10.000-mal teurer als Silizium
  • Diamantsubstrate, wie sie für die Halbleiterfertigung benötigt werden, müssen größer sein, als derzeit hergestellt werden können
    • Siliziumwafer können bis zu einem Durchmesser von 300 mm hergestellt werden
    • Mit HPHT hergestellte Diamantwafer sind derzeit auf 10 mm begrenzt
    • CVD-Diamantwafer lassen sich etwas größer herstellen, weisen aber viele Defekte auf, was ihre Nutzbarkeit für Halbleiter meist verringert
  • Das dringendere Problem ist das Dotieren
    • Reiner Diamant ist ein elektrischer Isolator; um ihn als Halbleiter zu nutzen, müssen daher elektronenspendende oder elektronenaufnehmende Verunreinigungen eingebracht werden
  • p-Typ-Diamant-Halbleiter sind vergleichsweise unproblematisch
    • Bor hat ein Elektron weniger als Kohlenstoff, ist also ein Elektronenakzeptor, und lässt sich als Verunreinigung während der Herstellung gut in das Gitter einbauen
  • n-Typ-Diamant-Halbleiter sind schwierig
    • Stickstoff besitzt zwar ein überschüssiges Elektron, doch die Energie, die nötig ist, um es ins Leitungsband abzugeben, ist sehr groß
    • Phosphor ist vielversprechender, aber größer als Kohlenstoff und daher schwer in das dichte Diamantgitter einzubauen; auch die Energie zur Elektronenabgabe bleibt hoch
    • Bei n-Typ-Diamant-Halbleitern für hohe Temperaturen ist die erforderliche Aktivierungsenergie leichter zu erreichen, für Halbleiter bei Raumtemperatur wird jedoch ein besser geeigneter Elektronendonator benötigt
    • Die Suche nach n-Typ-Donatoren für Raumtemperatur ist weiterhin ein offenes Problem

Fazit: ein künstliches Material, das besser ist als das natürliche

  • Die Natur erzeugt Diamanten, indem kohlenstoffhaltige Fluide unter hoher Hitze und hohem Druck tief im Mantel langsam kristallisieren; Vulkanausbrüche bringen sie an die Oberfläche
  • Bergbau ist ein schmutziger Prozess, und um 1 Karat aus dem Boden zu gewinnen, müssen 1.000 Tonnen Erde bewegt werden
  • Die meisten natürlichen Diamanten sind unansehnlich, verfärbt und reich an Verunreinigungen
  • Im Labor lassen sich in kürzerer Zeit und mit weniger Ressourcen reinere, schönere und haltbarere Diamanten herstellen
  • Bei Bedarf können bestimmte Verunreinigungen eingebracht werden, um optische, mechanische und elektrische Eigenschaften zu verändern
  • Frühe synthetische Diamanten wurden mit HPHT hergestellt, das die Entstehungsweise im Erdinneren nachahmt; heute werden sie auch per CVD gefertigt, einem Verfahren, das in der Natur nie beobachtet wurde
  • Entgegen der Annahme, Natürliches sei gut und vom Menschen Geschaffenes minderwertig oder schädlich, gibt es in der Materialwissenschaft seit Langem künstliche Materialien, die natürlichen Stoffen überlegen sind, etwa Stahl, Kunststoff, Polyester, Beton, Keramik und Glas
  • Synthetischer Diamant ist ein weiteres Beispiel dafür, dass menschlicher Verstand und wissenschaftliche Methoden die Ergebnisse der Natur verbessern können

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2024-09-10
Meinungen auf Hacker News

  • Guter Artikel, der die gesamte Geschichte gut abdeckt
    Auch auf der kommerziellen Seite hat sich viel getan. Wenn man bei Alibaba nach „diamond making machine“ sucht, kann man eine Hochdruck-Hochtemperatur-6-Seiten-Presse für etwa 200.000 Dollar kaufen; Anlagen für chemische Gasphasenabscheidung kosten ungefähr ähnlich viel
    Das Diamantenkartell De Beers unterhält mit Element Six eine Forschungs- und Entwicklungsorganisation und verkauft synthetische Diamanten für Spezialanwendungen wie Laser. Der technologische Stand ist so weit, dass Defekte auf ein Niveau von 1 zu 1 Milliarde reduziert werden und sogar Diamantfenster für Laser mit 10 cm Durchmesser hergestellt werden können. Das geht weit über Schmuckqualität hinaus
    Auch bei Naturdiamanten funktioniert die Technik gut, Diamanten vor dem Zerkleinern des Gesteins mit industriellem Röntgen zu finden; kürzlich wurde sogar ein Diamant mit 2500 Karat entdeckt. TOMRA baut ebenfalls Sortierer für diesen Zweck, und inzwischen gibt es nahezu ein Überangebot an riesigen Diamanten, die zu groß sind, um als Schmuck verwendet zu werden
    Auch die Prozesse für Schneiden, Polieren und Finish sind automatisiert, die Anlagen kommen hauptsächlich aus China und Indien. Diamanten sind inzwischen etwas, das man kiloweise in Plastiktüten kaufen kann
    [1] https://e6-prd-cdn-01.azureedge.net/mediacontainer/medialibr...
    [2] https://www.forbes.com/sites/amandakooser/2024/08/23/monster...
    [3] https://ikcabstracts.com/index.php/ikc/article/download/4101...

    • Für Laser ist das definitiv eine gute Nachricht. Viele wissen nicht, wie gut Diamant für diesen Einsatzzweck ist
      Er hat einen um 65 % höheren Brechungsindex als Glas, eine Wärmeleitfähigkeit, die achtmal so hoch ist wie die von Kupfer, und ist völlig kratzfest
    • Im Chinesischen bedeutet Diamant wörtlich Bohrstein, was seine Verwendung als Schleifmittel besser widerspiegelt als als Schmuckstein
    • Wenn man Diamantfenster für Laser mit 10 cm Durchmesser herstellen und sie kiloweise in Plastiktüten kaufen kann, darf man wohl auch auf Diamant-Kochgeschirr hoffen
      Eine Pfanne mit einer dünnen Schicht 430er Edelstahl für Induktion, einem Diamant-Wafer und darüber wieder einer dünnen Edelstahlschicht dürfte auf praktisch jeder Wärmequelle eine nahezu perfekt gleichmäßige Erwärmung ermöglichen
    • Ich frage mich, wie das Schmuckgeschäft aufrechterhalten werden soll. Das wirkt wie Sony-CD-R-Laufwerke in der PlayStation-Ära
    • Wenn Diamantfenster für Laser mit 10 cm Durchmesser möglich sind, dürften wir bald auch Diamant-Wafer für Chips sehen
      Je teurer bearbeitete Wafer werden, desto kleiner wird der Anteil der Kosten für den Rohmaterial-Wafer. Wenn dann noch Röntgenlithografie dazukommt, könnte sich das Mooresche Gesetz noch ziemlich lange fortsetzen

  • In den vergangenen zehn Jahren ist die Zahl günstiger Produzenten von Labordiamanten und Moissanit in China und Indien explosionsartig gestiegen
    Vor zehn Jahren war es schwierig, hochwertige Labordiamanten zu vernünftigen Preisen zu finden, und auch Moissanit war mit 400 bis 600 Dollar pro Karat recht teuer
    Heute sind Labordiamanten wegen des harten Wettbewerbs und einer Preisstrategie nach unten allgegenwärtig, die Qualität ist sehr hoch, und sie kosten oft weniger als 200 Dollar pro Karat: https://detail.1688.com/offer/751071300271.html
    Moissanit kostet selbst im Einzelhandel weniger als 5 Dollar pro Karat: https://detail.1688.com/offer/586468555080.html
    Ich habe selbst welche gekauft, und sie waren echt. Ich denke, Diamanten werden innerhalb der nächsten zehn Jahre fast ihren gesamten Wert verlieren. Moissanit ist bereits nahezu wertlos geworden, ähnlich wie synthetische Rubine, und es dürften sich neue industrielle Anwendungen für solche Edelsteine eröffnen

    • Diamanten sind nicht nur hübsch, sondern haben viele Einsatzmöglichkeiten
      Es gibt Diamantfeilen, Diamant-Schneidklingen, -Scheiben und -Bohrer, und man kann auch Glas daraus herstellen. Wegen des Preises werden sie nur in Laboren eingesetzt, die sie wirklich brauchen, aber es gibt noch mehr Anwendungen
      Bei vielen dieser Anwendungen spielen Größe, Qualität und Transparenz kaum eine Rolle. Statt sich auf Abfälle oder Ausschuss aus der Schmuckverarbeitung zu stützen, kann man sie direkt herstellen und die Versorgung sicherstellen
      Besonders gut ist, dass fallende Preise für synthetische Diamanten Diamant-Trennscheiben und Feilenwerkzeuge billig und verbreitet gemacht haben. Heute kann man auf Amazon ein Set Diamantfeilen für unter 10 Dollar kaufen, was ziemlich erstaunlich ist
    • Ich wäre sehr froh, wenn ich den Niedergang von De Beers erleben würde
      Es ist erstaunlich, dass sie über 100 Jahre überlebt haben, aber Diamantenpreise durch geschicktes Marketing und Angebotskontrolle künstlich in die Höhe zu treiben, ist nicht produktiv
    • Abgesehen von Anwendungen wie professionellen Glasschneidewerkzeugen hatten sie ursprünglich keinen Wert
      Als De Beers für glänzende Steine, die niemand kaufen wollte, ein erfundenes Marketing nach dem Motto „Beweise der Frau, der du einen Antrag machst, deinen Wert“ durchsetzte, wurden uninformierte Menschen manipuliert und kauften sie
      Diamanten sind auch im Weltraum sehr häufig und vermutlich auch tief im Erdinneren. Die Preiskorrektur ist eine gesunde Veränderung und langfristig gut für die Menschheit. An den Auswirkungen auf Afrika und Ähnlichem gab es nichts Positives, und ein Problem, um das sich niemand kümmerte, wird nun aus einer anderen Richtung gelöst
    • Die Radiowerbung hier in der Gegend hämmert ständig die Botschaft ein, dass es schlecht sei, synthetische Diamanten zu kaufen, weil sie ihren Wert nicht halten würden
      Sie wissen also schon, was auf sie zukommt
    • Wenn damit künstliche Diamanten gemeint sind, stimmt das. Natürliche Diamanten werden ihren Preis aber wahrscheinlich wie Handwerksprodukte halten
      Bei künftig von Menschen erstellten Inhalten könnte es ähnlich sein. Es geht um das Statussignal, sich ein minderwertigeres und teureres Produkt leisten zu können

  • Wenn man davon träumt, Erfinder oder Ingenieur zu werden, sollte man genau hinschauen, wie Hall bei GE behandelt wurde
    Er erfand eine bahnbrechende Technologie, während das Management ihm alle möglichen Hindernisse in den Weg legte, bekam dafür aber nur 10 % Gehaltserhöhung und eine Sparanleihe über 10 Dollar
    Hätte er es allein gemacht, hätte er synthetische Diamanten weltweit liefern und unglaublich reich werden können. Vorausgesetzt, es hätte keinen Rechtsstreit mit seinem früheren Arbeitgeber gegeben; aber er hätte die Technologie auch in Vollzeit weiterentwickeln können
    Nur weil Machthaber sagen, etwas sei keine gute Idee, heißt das nicht, dass es tatsächlich eine schlechte Idee ist. Natürlich heißt es auch nicht, dass es eine gute ist. Aber wenn sie einem sagen, man solle es nicht bauen, sollte man eine großartige Idee nicht einfach abgeben, sondern sie selbst bauen und den Gewinn einstreichen, wenn sie zu einem Goldklumpen geworden ist

  • Eine Zeit lang waren im Labor gezüchtete Diamanten meiner Ansicht nach deutlich billiger als geförderte Diamanten. Teilweise sogar um den Faktor 2 bis 3
    Interessanterweise steigt der Preis pro Karat, je reiner ein Diamant ist, also je klarer und je weniger Verunreinigungen er hat, bis er in dem Moment fällt, in dem er so rein ist, dass das bedeutet, er ist nicht natürlich, sondern aus dem Labor

    • Ein Veblen-Gut eben

  • Zwei Jahre bevor ich meiner heutigen Frau einen Antrag machte, begann ich, mich mit Diamanten zu beschäftigen, und grub mich tief in Chemie, Geschichte und Marketing ein
    Laborsteine waren ein No-Brainer. Für das Geld, das bei DeBeers ein miserabler Einkaräter gekostet hätte, kaufte ich einen riesigen, makellosen Stein
    Mein einziges Bedauern ist, dass auch der Diamantenpreis, den ich bezahlt habe, in ein paar Jahren weit über dem Marktpreis liegen wird, aber irgendwann musste ich nun einmal heiraten. Zum 10. Hochzeitstag kaufe ich ihr vielleicht einen Diamanten in Golfballgröße

    • Ich frage mich, warum und wie Diamanten in den USA zu einem Muss für die Ehe geworden sind
      Ich frage mich auch, ob die Verlobte wirklich einen Diamanten erwartet hat und ob sie enttäuscht gewesen wäre, wenn es ein anderer Gegenstand gewesen wäre, der nur für die beiden einen Wert hat
    • Moissanit wirkt wie die offensichtliche Wahl, über die man nicht lange nachdenken muss
      Er funkelt viel stärker, ist billiger und wird zumindest in meinem Umfeld genauso als großartig akzeptiert
      Wenn die andere Person allerdings einen „echten Diamanten“ will, wird auch ein Laborstein nicht reichen

  • Als ich mich letztes Jahr verlobte und einen Ring kaufte, kaufte ich bei einem Anbieter, dessen Prozess so gut eingerichtet war, dass man nicht persönlich ins Geschäft gehen musste, und der im Labor gezüchtete Edelsteine verwendet
    Die Qualität war ziemlich hoch und die Farbe beeindruckend; meine Verlobte wählte einen rosa Saphir, und der Preis lag weit unter meiner Erwartung
    Ich verstehe zu diesem Zeitpunkt kaum, warum jemand einen „echten“ Diamanten wollen sollte. Man bekommt für weniger Geld einen besseren Stein, hat keine ethischen Bauchschmerzen, und allein die Tatsache, dass man den gewünschten Edelstein auf molekularer Ebene zusammensetzen kann, ist aus Sicht eines Science-Nerds unglaublich cool

    • Viele Menschen sehen in Naturgegenständen einen Wert, den von Menschen entworfene Dinge nicht haben
      Darin steckt rohe Energie und eine Geschichte. Kann ein großartiger Wasserfall, den Ingenieure so gebaut haben, dass er über einen schönen fabrikgefertigten Felsen fließt, dieselbe Ehrfurcht hervorrufen wie ein Wasserfall, der durch Jahrtausende geologischer Prozesse entstanden ist?

  • Der Satz „Labordiamanten sind der Beweis für das Prinzip, dass Menschen das, was die Natur kann, besser können“ wirkt wie eine tiefe Arroganz, die in einem interessanten Text sichtbar wird

    • Schön wäre, wenn wir Eisen in Gold verwandeln könnten, so wie die Natur es in Supernovae tut
    • „Besser machen“ ist nicht so schwer, wenn man die Bewertungskriterien frei wählen kann

  • Natürliche Diamanten werden bereits in großem Maßstab abgestoßen, nur eben langsam. Brancheninsider wussten schon lange, dass dieser Zeitpunkt kommen würde
    Es wird zum klassischen Problem des Letzten, der die Tasche hält
    In manchen Ländern haben Bestände, die Einzelpersonen oder Familien lange angesammelt haben, jetzt einen deutlich geringeren Wert. Die Struktur der Diamantenbranche unterscheidet sich von Land zu Land, aber je mehr Bestände einzelne Händler halten, desto größer ist ihr Anreiz, synthetische Steine abzulehnen
    Ich habe das in der Türkei selbst erlebt. Vor etwa anderthalb Jahren schenkte ich meiner Verlobten einen sehr schönen Moissanit-Ring, und als wir ihn Juwelieren zeigten, mussten die meisten ausdrücklich eine Haltung inszenieren wie: „Glückwunsch zur Hochzeit, aber ich kann nur echte Steine führen. So etwas sollte man sich nicht einmal ansehen“
    Man kann es ihnen schwerlich vorwerfen. Viele dieser familiengeführten Geschäfte halten Bestände an natürlichen Diamanten im Wert von Hunderttausenden bis Millionen Dollar, die sie über Jahre aufgebaut haben, und nun ist etwas aufgetaucht, das nur einen Bruchteil kostet und in jeder Hinsicht überlegen ist
    In einigen Teilen der Welt war der Widerstand gegen Labor-Edelsteine sogar gewalttätig. Aber die Industrie natürlicher Diamanten ist noch viel gewalttätiger, und es ist gut zu sehen, dass die Art, wie Diamanten abgebaut werden, bald der Vergangenheit angehört

  • Wenn man Diamanten in Betracht zieht, sollte man auch den Wiederverkaufswert ansehen. Der ist miserabel
    Wenn ein Gegenstand praktisch kaum abnutzen sollte, müsste der Preis, den jemand nach der Nutzung zu zahlen bereit ist, eigentlich nahe am echten Preis liegen

  • Diese Aussage stimmt, wenn man ein paar Einschränkungen dazusetzt
    Wenn man sich für Diamanten mit Investment-Grade interessiert, wie sie große Auktionshäuser handeln würden, sieht man große Karatgewichte oder Fancy Colors, die synthetische Steine noch nicht erreicht haben
    Im Diamanthandel werden makellose oder nahezu makellose Rohsteine mit über 100 Karat manchmal als „paragon“ bezeichnet, und es gibt eine lange Liste berühmter Beispiele; der größte synthetische Stein in Schmuckqualität liegt meines Wissens aber noch bei etwa 30 Karat. Kräftige Farben stoßen schon bei deutlich kleineren Größen an Grenzen
    Trotzdem scheint es möglich, die Natur innerhalb einiger Jahrzehnte zu übertreffen. Zumindest bei Diamanten auf der Erde; ich erinnere mich auch, irgendwo von der Entdeckung eines mondgroßen Weltraumdiamanten gelesen zu haben

    • Kräftige Farben sind ein triviales Engineering-Problem, und China hat es bereits gelöst. Screenshot: https://ibb.co/s6gWTy1
      Die Preise fallen so schnell wie ein Stein von einem hohen Turm, und es gibt immer mehr Farben und Auswahl. Innerhalb von zehn Jahren wird man bei gängigen Farben fast jeden Diamanten billiger kaufen können als einen 2-Karat-Rohstein im Jahr 2014
      Wenn man riesige Edelsteine mag, kann man schon heute Moissanit mit 1000 Karat kaufen. Sogar auf Amazon.com gibt es ein Beispiel mit 100 Karat: https://www.amazon.com/Gemonite-15CT-100CT-Moissanite-Colorl...
      Vor zehn Jahren wäre das unvorstellbar gewesen. Die Diamanten- und Schmuckbranche verändert sich rasant
    • Wenn man sich für Diamanten mit Investment-Grade interessiert, ist jetzt meiner Meinung nach der Zeitpunkt zum Ausstieg
      Diamanten waren nie so selten, wie Investoren gern glauben möchten, und die Lage wird sich weiter verschlechtern
    • Bei einem mondgroßen Diamanten: Heißt das ein mondgroßes, reines Kohlenstoff-Einzelmolekül? Ich frage mich, welchen Einfluss Gravitation in dieser Größenordnung hätte
    • „Investment-Grade“ ist schon lustig. Dieses absurde Konzept wäre weniger armselig, wenn man es lieber Spekulations-Grade nennen würde