ダイヤモンド
ダイヤモンドは炭素の同素体であり、炭素原子がsp3混成で四面体状に共有結合網を組むことで、きわめて高い硬さと熱伝導性、広いバンドギャップを示す結晶である。天然産は地質学的過程で形成され、工業的にはHPHTやCVDで合成される。宝石としての価値は光学的特性と加工精度に依存し、工業材としては切削・研磨・熱拡散用途で重要である。
結晶構造と同素体
ダイヤモンドは面心立方格子に2個の原子をもつ「ダイヤモンド構造」を取り、各原子は4本の共有結合で強固な3次元網目を作る。炭素の同素体であるグラファイトはsp2混成で層状構造をとり、結合様式が異なるため性質も大きく異なる。六方晶のロンズデーライトは局所的に似た結合を持つが結晶対称が異なる。
グラファイトとの関係
高温高圧や触媒作用下ではグラファイトとダイヤモンドの間で相転移が起こり得る。熱力学的には常圧・高温でグラファイトが安定だが、ダイヤモンドは活性化障壁が高く常温常圧でも準安定に存在できる。この準安定性が宝石・工業用途での耐久性に寄与する。
物性の概要
ダイヤモンドはモース硬度10に位置づけられ、塑性変形が起こりにくく、弾性限界が高い。比重は約3.5で軽量な部類ではないが、体積弾性率やヤング率が大きく寸法安定性に優れる。化学的には常温での耐薬品性が高いが、高温酸化雰囲気では表面が酸化される。
硬さ・靭性・摩耗
ダイヤモンドは極めて硬い一方で、靭性は中庸で劈開面に沿った割れが生じることがある。工業工具では結晶方位を考慮し、摩耗形態（研磨摩耗・凝着摩耗・拡散摩耗）を抑える刃先設計やバインダ材選定が重要である。
熱・電気・光学特性
熱伝導率は固体中でも最高水準で、フォノン散乱が少ない高品質単結晶ほど大きい。バンドギャップは約5.5 eVの広禁制帯半導体であり、ボロン添加でp-type、リン添加でn-typeを実現できる。光学的には高い屈折率と強い分散を持ち、ブリリアンスとファイアの源となる。
合成法と品質評価
工業合成ではHPHT（高温高圧）とCVD（化学気相成長）が主流である。HPHTはバルク結晶の育成に適し、CVDは基板上に高純度・大面積膜を成長できる。用途に応じて窒素やボロンの含有量、結晶欠陥密度、方位制御が評価項目となる。
HPHTとCVD
HPHTは鉄族金属などを触媒に用い、グラファイトを高温高圧下でダイヤモンドに転換する。一方CVDはCH4/H2などのプラズマを用いて炭素ラジカルを生成し、基板表面でsp3結合を選択的に形成する。CVDは窒素欠陥中心の抑制やドーピング制御に適する。
4Cと工業グレード
宝石品質は4C（Carat, Color, Clarity, Cut）で評価される。工業用途では粒度分布、結晶方位、欠陥密度、熱伝導率、電気特性などの指標が重視され、宝石評価とは基準が異なる。
用途
ダイヤモンドは宝飾だけでなく、機械加工、半導体デバイス、熱マネジメントで不可欠である。特に非鉄金属や炭素繊維複合材の高精度加工、レーザーミラーの座屈防止、ハイパワー素子の放熱基板などで効果が大きい。
代表的な適用例
- PCD/CBN系工具の刃先コーティングやチップ材
- 高出力LED/レーザー/SiC/GaN素子のヒートスプレッダ
- 広帯域・高耐圧デバイス基板や量子センシング（NV中心）
- 高精度軸受のシール・摺動部材、超精密研磨パッド
加工と評価技術
ブリリアントカットなどの宝飾加工では結晶方位に沿う割れを避ける工程設計が要点である。工業加工ではレーザー、イオンビーム、超音波援用研磨などを併用し、ラマン分光、PL、XRD、AFMで品質評価を行う。表面終端（H終端、O終端）も電気的・濡れ性に影響する。
耐環境性と限界
ダイヤモンドは多くの薬品に耐性を示すが、鉄系材料の切削では高温で炭素が拡散し工具摩耗が早まるため、条件設計や他材の併用が必要となる。酸化雰囲気での高温使用では表面の酸化・グラファイト化を抑えるプロセス管理が不可欠である。
市場動向と素材設計
合成技術の成熟により大口径単結晶や低欠陥CVD膜の供給が進み、熱拡散材や高周波素子向け基板としての需要が拡大している。応用設計では熱・機械・電気の多物理特性を総合評価し、コストと性能の最適点を探ることが重要である。宝飾分野ではトレーサビリティや鑑別技術の高度化が進展している。