Supreme Semiconductor: インダストリアル ダイヤモンド

Sep 12, 2023

工業用ダイヤモンドは、長距離送電時の損失をカットするための最高の半導体と考えられています。 今日ではシリコンが半導体の花形ですが、今後数十年でダイヤモンドがそれに取って代わる可能性があります。 優れた電子容量と熱容量を備えたこの代替品は、コストが下がれば、動力伝達、バイオニクス、または航空分野で多くの可能性をもたらします。

エネルギー転換技術の大きな問題点の 1 つは、特に希少な材料や金属の使用によるコストの高さです。 この文脈では、過度に高価な素材であるダイヤモンドの使用は法外とみなされる可能性があります。 しかし、これはヨーロッパのプロジェクトGreenDiamondのコーディネーター、エティエンヌ・ギーラールトの意見です。

プロジェクトの目的: 洋上風力発電所からの送電におけるエネルギー損失を削減するために、コンバーターのシリコンベースの半導体をダイヤモンドに置き換えます。

「ヨーロッパのプロジェクト GreenDiamond のアイデアは、エネルギー損失をできる限り減らすことです」とエティエンヌ・ギーラート氏は言います。 パワー エレクトロニクス アプリケーションの場合、最も重要な要素の 1 つは材料の破壊領域です。 シリコンの場合は300,000V/cmに相当し、かなり低い値となります。 ただし、ダイヤモンドの場合、破壊電界は 10 MV/cm です。

1,000 V の電圧に耐えるには、コンバーターには 100 ミクロンの層が必要ですが、ダイヤモンドの場合は 1 ミクロンであるのに比べて、抵抗が大幅に増加します。 この変更により、エネルギー損失は 4 分の 1 に削減できると推定されています。

エレクトロモビリティ

同等の出力でありながらサイズが小さくなっているダイヤモンドは、バイオニクスや輸送分野での応用に新たな道を提供します。 車両設計において素材の重さは最大の敵であるため、この置き換えは非常に興味深いものになります。

軽量化が材料の容積を小さくすることに関係する場合、これらの用途では高温耐性も主要な議論となります。 150°C を超えるとシリコンの特性が変化し、最適ではなくなります。 ダイヤモンドは簡単に 300℃ まで上昇します。 その結果、シリコンコンバータが複雑な冷却システムを必要とする場合、ダイヤモンドはよりシンプルで簡単なソリューションを提供します。 「航空機の電動化の場合、400 kg のコンバーターから 50 kg のコンバーターへの移行が想像できます。これは大きな利益となるでしょう」とエティエンヌ・ギーラート氏は説明します。

一般に、半導体は無機または有機の材料であり、化学構造、温度、照明、およびドーパントの存在に関連してその機能を制御する能力を持っています。 半導体という名前は、これらの材料が銅や金などの金属とガラスなどの絶縁体との間の電気伝導率を有することに由来しています。 それらのエネルギーギャップは 4eV 未満 (約 1eV) です。 固体物理学では、電子状態が禁止されている価電子帯と伝導帯の間にエネルギーギャップが存在します。 導体とは異なり、半導体内の電子は、禁制帯を越えて伝導帯に到達するために（電離放射線などから）エネルギーを取得する必要があります。 半導体の特性は、価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップによって決まります。

ダイヤモンドは炭素元素の固体であり、その原子はダイヤモンド立方晶と呼ばれる結晶構造に配置されています。 ダイヤモンドは非常に優れた電気絶縁体でもあり、奇妙なことに、電気機器にとって有用であると同時に問題も生じます。 ダイヤモンドはワイドバンドギャップ半導体 (Egap = 5.47 eV) であり、エレクトロニクスを含む多くのデバイスの材料として高い可能性を秘めています。 ダイヤモンド検出器はシリコン検出器に非常に似ていますが、特に高い耐放射線性と非常に低いドリフト電流など、大きな利点があります。

先進的な半導体材料としてのダイヤモンドの本質的な特徴

ダイヤモンドコンバーターの用途

優れたシリコンコンバータの効率が約 97% である場合、ダイヤモンドコンバータを使用すると 99% に達することが可能です。 この違いは小さいように思えるかもしれません。 ただし、洋上風力発電所の場合と同様、長距離 HVDC (高電圧直流) 送電など、特定の特定の用途ではメリットが大きくなります。 大陸に 1 GW の電力をもたらすには、20 MW が節約されます。

2 番目の用途は輸送全般です。車両の重量を軽減するテクノロジーは潜在的に興味深いものであるためです。 従来の電気自動車にシリコンコンバーターが搭載されている場合、一部の高級車にはシリコンとダイヤモンドの中間と考えられる炭化ケイ素（SiC）が使用されています。 たとえば、トヨタは、Si から SiC に切り替えることで航続距離を 20% 向上させることが可能であると推定しています。 これは、ダイヤモンドに切り替えることでさらに大きな利益が得られることを意味します。 しかし、この車はダイヤモンドコンバータープロジェクトで2位にランクされており、主なターゲット市場は航空宇宙であり、航空機の重量削減が常に検討されている分野であるためです。

天然ダイヤモンドは高級感を連想させます

ダイヤモンドは贅沢品ではなく工業製品です。 さらに、合成ダイヤモンドを製造する工業プロセスは長い間習得されてきました。 ダイヤモンドの製造に使用される PECVD マシンを使用すると、直径 2 インチの表面に砂粒ほどのサイズのダイヤモンド 50 個の領域を堆積することができます。 ダイヤモンドの製造に関しては、それほど難しいことではありません。このプロセスでは、炭素源として水とメタンの加水分解によって得られる水素が必要です。

インドと中国での既知の生産に基づくと、ダイヤモンド ジュエリーの 12% は宝石商の知識なしに工業的に製造されていると推定されており、この割合は増加しています。 したがって、メーカーは宝石商と同じ価格でダイヤモンドを販売します。 しかし、この状況が続くはずはありません。 テクノロジーが伝統的な貿易を完全に破壊する重要な新しい市場を開拓するにつれて、今後数年間で状況は変わるでしょう。 ダイヤモンドの技術を止めるものは何もなく、価格は工業市場の価値まで下がるでしょう。 これは、エレクトロニクスにおけるダイヤモンドの広範な産業応用が研究で実証され次第、実現するでしょう。

このテクノロジーは産業規模で日の目を見る準備ができていますか?

研究の観点から、GreenDiamond はダイヤモンドコンバーターの製造に長年携わってきました。 GreenDiamond プロジェクトの目的は、産業界を巻き込むことでもあります。 このプロジェクトの終わりに、スタートアップ企業が誕生しました。それは、2019 年 3 月に設立され、2019 年のグランプリ i-Lab を受賞した DiamFab です。さらに、彼らは、すぐに設置できるダイオードとトランジスタをすでに作成しているため、工業化に近づいています。 そこで生じる疑問はダイヤモンドの価格に関するものです。 ダイヤモンドはなぜあんなに高価なのでしょうか？ なぜなら、ほとんどの技術材料とは異なり、価格は需要と供給の法則に支配されないからです。 しかし、1970 年代以降、低圧および低温で合成ダイヤモンドを作成できる機械のおかげで、合成ダイヤモンドの製造コストは比較的低くなりました。 現在、ダイヤモンドの価格は需要に応じて宝石商によって調整されています。

遺伝学におけるダイヤモンド

ごく最近では、日本の研究者が DNA 分子を保存するためにダイヤモンドを使用したことさえあります。 遺伝子研究では、DNA 分子が反応しないように、保管場所をできるだけ中性にする必要があります。 ダイヤモンドの表面を使用すると、生物学者は DNA 分子を数週間にわたって良好な状態に保つことができます。 ダイヤモンドの低い化学反応性と生物学的中性により、ダイヤモンドにこの前例のない役割が与えられます。

最大パーセントのホウ素またはリンを含むこれらの炭素結晶の種類は非常に豊富です。 しかし、化学は、ダイヤモンドが高温の空気中で非常によく燃えることを教えてくれます。 これは間違いなく二酸化炭素を生成する高価な手段であり、このことから、酸化雰囲気におけるこの並外れた物質の限界がわかります。

さまざまな分野での用途を決定するダイヤモンドの特性

まず第一に、その卓越した硬度は、コランダムの 150 倍、フライス盤の製造に使用される最高の合金の 10 倍です。 ダイヤモンドは、削岩やさまざまな材料の機械加工に使用されます。

工業用ダイヤモンドの生産量の半分以上は、製造業向けの特殊工具の製造に使用されています。 非鉄金属および鉄金属、硬質合金および超硬合金、ガラス、ゴム、プラスチック、その他の合成物質の加工にダイヤモンド カッターやドリルを使用すると、超硬工具を使用する場合に比べて大きな経済効果が得られます。 ダイヤモンドカッターで処理された表面はサンディングの必要がなく、微小な亀裂がほとんどないため、得られる部品の寿命が延びることがよくあります。

ほぼすべての産業、主に電気、無線電子、工具製造を使用する産業では、さまざまな材料の細いワイヤーが大量に使用されています。 同時に、高い表面仕上げを備えたワイヤの断面の円形形状と直径の一貫性に対して、厳しい要件が課されます。 このような超硬金属および合金（タングステン、クロムニッケル鋼など）のワイヤーは、ダイヤモンド型を使用してのみ製造できます。 モールドは、非常に微細な穴を備えた層状ダイヤモンドです。

産業用途

ダイヤモンド穴あけ加工

穴あけ加工のパフォーマンスにより、ダイヤモンド穴あけ加工が可能になります。これは、高い機械的強度だけでなく、エッジの形成精度によっても際立っています。 この技術は、水を介して切削要素を冷却するシステムを作業プロセスに組み込むことを可能にします。 また、冷却機能に加えフィルターの役割も果たし、穴あけ時に発生する粉塵を瞬時に除去します。

ダイヤモンドは、石油・ガス産業や鉱業で頻繁に使用されます。 ダイヤモンドは最も硬い材料であるため、ダイヤモンドビットは他の穴あけ技術では比類のない精度で、事実上あらゆる材料に穴を開けることができます。 ダイヤモンド ドリル ビットは鉱山業界ではよく知られており、基本的な技術は同じに見えますが、多結晶ダイヤモンド コンパクト (PDC) 技術は油井およびガス井の掘削用に特別に設計されています。

熱伝導率

炭素 12 (99.9%) が豊富に含まれた合成ダイヤモンドの単結晶、同位体的に純粋なダイヤモンドは、あらゆる材料の中で最も高い熱伝導率を持ち、銅の 7.5 倍です。 天然ダイヤモンドの導電率は、自然に存在する炭素 13 によって 1.1% 減少します。これは格子内で不均一性として機能します。 これらの特性により、ダイヤモンドはレーザーなどの電子部品または光電子部品の放射体として使用できます。

ダイヤモンドの自然な熱伝導率は、専門家によって本物のダイヤモンドと模造ダイヤモンドを区別するために使用されます。 このテストは、細い銅のチップに取り付けられた一対のバッテリー駆動のサーミスタに基づいています。 1 つは加熱装置として機能し、もう 1 つは銅チップの温度を測定します。 テストされる石がダイヤモンドの場合、先端の熱エネルギーが測定可能な温度低下を引き起こすほど急速に伝導します。 このテストには約 2 ～ 3 秒かかります。

ダイヤモンドサンド

ダイヤモンドはさまざまな形で使用されますが、産業界ではダイヤモンドパウダーが最も一般的に使用されています。 この粉末は低品質の天然ダイヤモンドを粉砕して得られ、合成ダイヤモンド製造用の特別な装置で製造されます。 ダイヤモンド パウダーは、丸鋸刃、細いダイヤモンド ドリル、特殊なヤスリに使用されるだけでなく、研磨剤としても使用されます。 ダイヤモンド粉末の助けを借りてのみ、硬くて脆い材料に細かく深い穴を開けるユニークなドリルを作成することができました。

ダイヤモンド パウダーは、ダイヤモンドを含むすべての宝石が切断および研磨される切断工場で使用されます。 ダイヤモンドでは、荷電粒子の作用により、閃光とパルス電流が現れます。 これらの特性により、ダイヤモンドを核放射線検出器として使用することが可能になります。 ダイヤモンドの輝きと照射中の電流パルスの出現により、高速粒子計数器での使用が可能になります。

ジュエリーにおけるダイヤモンドの使用

ダイヤモンドは、地表下で数十億年かけて形成される世界で最も貴重な石です。 地殻の異常な圧力と熱により、炭素は多くの人が最も切望する素晴らしい石に変わります。 ジュエリーを作成する際には、カラット数、色、透明度、蛍光などのダイヤモンドの品質が考慮されます。

ダイヤモンドのカット方法は、鉱物が魅力的かどうかを決定する最も重要な要素です。 「エクセレント」または「パーフェクト」とマークされたアイテムは、宝石商がダイヤモンドが比例してカットされていることを確認したことを意味します。 カットが不十分だと、光が石を通して本来反射されないため、輝きがないか、適切に輝きません。 完璧にカットされたダイヤモンドでは、黄色がかった色などの欠陥さえ考慮するのが困難です。

世界で最も豊かなダイヤモンド鉱山

現在、世界のダイヤモンド生産量はアフリカとその他の地域に二分されています。 アフリカ大陸は世界のダイヤモンド生産量の約 60% を占めており、ボツワナ (18%)、南アフリカ (9%)、コンゴ民主共和国 (15%)、アンゴラ (6%)、またはナミビア (1%)。 アフリカ以外の他の主要な生産国はロシアで、世界生産量の 22% を占めていますが、オーストラリア (17%) とカナダ (7%) もダイヤモンド生産の点で重要な 2 か国です。

ボツワナ初のダイヤモンド鉱山は独立から 1 年後の 1967 年に発見され、それ以来、経済に占めるこの部門のシェアは年を重ねるごとに成長してきました。 現在、ダイヤモンドを中心とする鉱業部門は、国の輸出の 80%、予算収入の 38%、関税収入の 23% を占めています。 この国はアフリカ最大の生産国であり、世界ではロシアに次ぐ第2位です。 しかし、ダイヤモンドに対する国家管理は、英米系大手企業の子会社で世界最大のダイヤモンド会社であるデビアスとの官民パートナーシップにも基づいている。 両当事者は、鉱山を探索するための合弁事業（50/50）であるデブスワナと、生産されたダイヤモンドを活用するための会社であるダイヤモンド・トレーディング・カンパニー・ボツワナ（DTCB）を設立しました。

コンゴでは、ダイヤモンド鉱床はムブジマイ近くの東カサイと西カサイに集中しています。 それらは沖積岩、沖積岩、および初生岩であり、キンバーライト鉱脈と密接に関連しています。 ダイヤモンドはバスコンゴ、オーコンゴ、マニエマ、エクアトゥール、バンドンドゥでも産出されます。 この国は、ブルー ダイヤモンド、K ノース、カサイ ダイヤモンド、カイエンベ プロジェクト、ソネコ SARL プロジェクトという 5 つのプロジェクトと機会を主催しています。

アンゴラでは、ダイヤモンド部門が急成長しています。 この国は現在、世界で第 5 位の生産国・輸出国です。 アンゴラのダイヤモンド生産量のほとんど（75％）は、ロシアのアルロサ社と国営ダイヤモンド会社エンディアマを含むコンソーシアムが所有するカトカという単一鉱山で産出されています。

南アフリカのダイヤモンド産業は、レインボー・ネイションがリーダーである金、プラチナ、その他のダイヤモンド産業の影に隠れがちです。 しかし、史上最大のダイヤモンドが発見されたカリナンなど、過去にもこの国の鉱山で重要なダイヤモンドが発見されています。

南アフリカには、デビアスやペトラ ダイヤモンドなどの重要なダイヤモンドトレーダーの本拠地があります。 南アフリカのダイヤモンド生産の大部分は、デビアス ヴェニス鉱山とペトラ ダイヤモンド フィンシュ鉱山から来ていると推定されています。 ベニス鉱山は南アフリカのダイヤモンド生産の主な供給源です（年間生産量の 40%）。 デビアスはそこで地下拡張プロジェクトを準備しており、これにより2022年までに1億3,300万トンの鉱石を処理し、その生涯にわたって約9,400万カラットを生産できるようになる予定です。 また、南アフリカの鉱山会社ディアムコールもクローネ・エンドラプロジェクトに積極的に取り組んでおり、これには約5888ヘクタールにわたる探査権が含まれている。

ナミビアは世界でトップ 10 に入るダイヤモンド生産国であり、その産出量はすべて漂砂です。 デビアスの海洋事業であるデブマリンは、ナミビアの生産量と金額の半分以上を生産しています。 デブマリンは現在、世界で唯一の大規模な海洋ダイヤモンド鉱山です。 デビアスとナミビア政府の合弁事業（折半出資）であるナムデブ・ホールディングスが所有している。 このプロジェクトには約8,000万カラットが存在します。

キンバリー・プロセス・グループの統計によると、2014年、ジンバブエは470万カラットを生産し、世界で8番目に大きなダイヤモンド生産国だった。 それ以来、生産量は減少し、2016年3月には政府がダイヤモンド鉱山の国有化を決定した。 マランゲ地域で操業するすべての企業は、ダイヤモンド鉱山を管理するために国が設立した組織であるジンバブエ・コンソリデーテッド・ダイヤモンド・カンパニー（ZCDC）への参加を拒否したため追放された。 理由としてはライセンスの有効期限が切れていることがあげられました。

シエラレオネは数年にわたり、1990年代の内戦の資金調達に使われたダイヤモンド貿易の中心地となっている。 戦争は5万人以上の死者を出して2002年に終結したが、2003年に国連はダイヤモンドの輸出禁止を解除した。 今日、この国はあの暗黒時代から立ち直りつつあるようだ。 この分野で最大のプロジェクトの中にはトンゴ鉱山とトングマ鉱山があり、これらの鉱山には合わせて 500 万カラットの資源が存在します。 2017年3月、研究者がコノ州で706カラットの巨大なダイヤモンドを発見した。

レソトには世界で最も高いところにあるダイヤモンド鉱山、ジェム・ダイアモンズ鉱山会社が所有するレツェン鉱山があり、標高3000メートルに位置しています。 Letšeng 鉱山は、優れた品質のホワイト ダイヤモンドを産出する能力で知られています。 世界で5番目に大きいと考えられている910カラットのダイヤモンドが、2018年1月にジェム・ダイヤモンド社によって発見された。

キンバリープロセスによると、2000年に35万6,000カラットに達したタンザニアのダイヤモンド生産量は、2019年には20万7,000カラットとなった。 この国最大の鉱山はウィリアムソン鉱山です。 この鉱山は、世界最大の経済的キンバーライトの 1 つである 146 ヘクタールのムワドゥイ キンバーライト パイプを基にした露天掘りです。 1940 年から操業されているにもかかわらず、堆積物の規模が大きいため、この坑は最深部でわずか 120 メートルしかありません。 鉱床の品位は低いですが、ダイヤモンドの価値が高いため、大量の大量の採掘方法に適しています。 ウィリアムソンは、これまでに回収された中で最高級のピンク ダイヤモンドの 1 つと考えられている 23 カラットのウィリアムソン ピンク (原石 54 カラット) を含む、美しく丸みを帯びた白物品と「バブルガム」ピンク ダイヤモンドで有名です。

その他のダイヤモンド生産国

他のアフリカのダイヤモンド生産国には、ガーナ (2015 年で 174,000 カラット)、ギニア (167,000 カラット)、リベリア (69,000 カラット)、コンゴ (40,000 カラット)、コートジボワール (15,000 カラット)、カメルーン (2,000 カラット) などがあります。 このデータは、世界のダイヤモンド業界の透明性を高めるために 2000 年に設立された組織であるキンバリー プロセスによって 2019 年 10 月に公開されました。

キンバリー・プロセス市民社会連合（KP CSC）について

KP CSC には、ダイヤモンドが紛争や悲惨ではなく平和と繁栄に貢献できるようにするという特別な使命があります。 この目的を達成するために、彼らは常に、そしてこれからもダイヤモンドの生産、貿易、製造国の業界や政府に対し、ダイヤモンドの収益が紛争、暴力、人権侵害への資金提供に寄与しないように呼びかけ続けています。

KP CSCは、ロシア連邦と、ロシア連邦が33%の株式を保有するダイヤモンド鉱山会社アルロサが、それぞれ世界最大のダイヤモンド生産国とダイヤモンド鉱山会社であり、したがって世界に多大な影響を与えていると指摘している。この分野。 そのため彼らは政府、産業界、キンバリープロセス（KP）認証制度に対し、ロシアまたはロシアの国営ダイヤモンド鉱山会社アルロサで生産されたダイヤモンドが紛争資金調達に寄与していないことを確認するよう求めている。