Technik

Ein Brillant an der Halskette oder im Ohr – der Traum vieler. Doch für die meisten bleibt der zum Schmuckstück geschliffene Diamant unbezahlbar: Diamanten sind die teuersten Edelsteine der Welt – erstens, weil sie von unübertroffener Schönheit sind, und zweitens, weil sie äu-ßerst selten sind. Mehr als drei Milliarden Jahre sind vergangen, bis die ältesten Diamanten aus dem Schoß der Erde an die Oberfläche gekommen sind – die Mühlen der Natur mahlen langsam. Deshalb war es von jeher das Bestreben der Menschen gewesen, den Klunker auch künstlich herzustellen – und schneller.

Jetzt ist das Ziel erreicht: Das Unternehmen »Gemesis« im US-Bundesstaat Florida sorgte für Schlagzeilen, weil es in seinen »Juwelenbrütern« Diamanten von verblüffender Reinheit züchtet – in nur drei Tagen. Und zu einem Viertel des Preises, den man für die aus dem Erdreich geschürften Steine hinblättern muss! Während ein Naturdiamant von einem Karat (0,2 Gramm) etwa 10000 Euro kostet, kommt ein synthetischer Einkaräter von Gemesis auf nur rund 2400 Euro.

Die Kunstklunker eignen sich für den Brillantschliff und werden seit einem halben Jahr unter dem Begriff »Cultured Diamonds« in ausgesuchten Juwelierläden und über das Internet angeboten. Manche Experten meinen, dass damit die Tage von De Beers gezählt sind: Der südafrikanische Konzern ist seit über 100 Jahren die Nummer eins im Geschäft mit Naturdiamanten – er kontrolliert heute über 60 Prozent des Weltmarktes. Die künstliche Konkurrenz kommt aus den Hochdruckkammern von Gemesis. Diese Brüter imitieren die Verhältnisse im Erdmantel: In 130 bis 700 Kilometer Tiefe wurden die Diamanten vor Millionen Jahren unter hohem Druck und hohen Temperaturen aus Kohlenstoff im Gestein »gebacken«, bevor sie durch Magma-Eruptionen an die Oberfläche gelangten. Ausgangspunkt der Diamantsynthese bei Gemesis ist stets ein winziger echter Edelstein: Diese so genannte »Seed« (Saat) wird in dem auf 2000 °C erhitzten Brüter von einer Hydraulikpresse mit dem 80000fachen des Atmosphärendrucks (ungefähr 80000 bar) zusammengedrückt. Gleichzeitig wird Kohlenstoff in Form von Graphit zugesetzt. Hitze und Druck spalten dieses Mineral in die einzelnen Kohlenstoffatome auf, die sich nach und nach an dem Seed-Kristall niederschlagen. Die Saat wächst, und nach drei Tagen kann
man dem Brüter einen dreikarätigen Edelstein entnehmen – etwa so groß wie eine kleine Perle. Künstliche Diamanten, die mit dieser Methode erzeugt werden, lassen sich nur noch mit sehr großem technischem Prüfaufwand von Naturdiamanten unterscheiden.

Gemesis will das Verfahren jetzt weiterentwickeln, um auch größere Diamanten herzustellen. Und das in verschiedenen Farben, die durch eine gezielte Verunreinigung des wachsenden Steins erzeugt werden: So entsteht z. B. ein gelber Diamant, wenn man bei der Synthese Stickstoffatome hinzufügt, ein blauer, wenn Atome des Halbmetalls Bor zusetzt werden. Gemesis’ Angriff auf die marktbeherrschende Stellung von De Beers ist unübersehbar: Die Produktion wird mit Hochdruck erweitert – bald sollen 250 Brüter Diamanten »gebären«. Und weil inzwischen auch viele andere Firmen an der Edelsteinsynthese arbeiten, erwarten Fachleute in absehbarer Zeit eine Massenproduktion von künstlichen Diamanten – und purzelnde Preise. Die Damenwelt wird’s danken. Dabei übersieht man leicht, dass der Weg zum Billig-Diamanten ein weiter war. Schon vor mehr als 2500 Jahren entdeckte man den edlen Stein, denn durch glückliche Umstände wurde er hier und da so weit an die Erdoberfläche »gespült«, dass man ihn nur auflesen musste. Von Anfang an faszinierte er durch sein geheimnisvolles Funkeln – und seine unvergleichliche Härte: Das Wort Diamant leitet sich vom griechischen »adamas« ab – »unbezwingbar«. Der antike Schriftsteller Plinius der Ältere (24 – 79 n. Chr.) schrieb in seiner »Historia naturalis«, der Diamant sei sogar »stärker als Feuer« – nur das frische, warme Blut des Ziegenbocks, des »stinkigsten aller Tiere«, könne den Stein zerstören. Das war natürlich der reinste Bockmist – und auch Plinius blieb eine Erklärung schuldig: Es müsse sich wohl um eine Laune der Götter handeln. Dass es in Wahrheit mit der Feuerfestigkeit des Diamanten nicht weit her ist, zeigte ein Experiment des Pariser Chemikers Antoine Laurent de Lavoisier (1743 – 1794). Etwa im Jahr 1785 baute er vor staunendem Publikum auf einem der großen Plätze der Stadt eine abenteuerliche Apparatur zusammen: zwei riesige Brennspiegel von über zwei Meter Durchmesser und einen geschlossenen Glaskolben, in dem ein Diamant lag. Als er das Licht der Sonne auf den Edelstein fokussierte, geschah Ungeheuerliches: Der »Unbezwingbare« verbrannte, und übrig blieb ein kleines schwarzes Häufchen – ja, was? Als Chemiker fand er die Antwort schnell: Unter der Hitze-Einwirkung hatte der Diamant mit dem Luftsauerstoff (O2) chemisch reagiert; das eine Oxidationsprodukt war das Kohlendioxid (CO2), das jetzt statt der Luft den Glaskolben füllte – das andere, jenes schwarze Häufchen, konnte dann nur Graphit sein. Seitdem wissen wir, dass Diamanten aus Kohlenstoff bestehen.

Dieser edle Stein – nichts als Kohle! Aber der Schreck währte nicht lange, und bald regte sich menschlicher Erfindergeist: Wenn man aus Diamanten Kohle machen kann, dann müsste man doch aus Kohle ... Aber es dauerte noch gut 100 Jahre, bis jener Mann die Bühne der Wissenschaft betrat, den wir heute als Vater des ersten künstlichen Diamanten bezeichnen: der französische Chemiker Henri Moissan. Er stellte 1892 die Theorie auf, dass sich Diamanten synthetisch herstellen lassen, indem man Kohlenstoff bei hoher Temperatur unter starken Druck setzt. Um seine Theorie zu beweisen, entwickelte er einen elektrischen Brennofen, der Temperaturen bis 3500 °C standhielt und in dem er Kohle mit einer Presse zusammenquetschte: Tatsächlich kristallisierten nach längerer Zeit winzige Diamanten aus. Jetzt brach unter Forschern ein wahrer Diamanten-Hype aus. Ruhm lockte – und das große Geld. Und das zog natürlich auch Scharlatane an wie den französischen Elektroingenieur Henri François Lemoine. Er verbreitete, Moissans Verfahren optimiert zu haben. Die damals schon große Diamantengesellschaft De Beers – voller Hoffnung auf neue Geschäfte – finanzierte seine Versuche mit 64000 englischen Pfund (heute etwa 500000 Euro). Um jedem Betrugsverdacht zu begegnen, experimentierte Lemoine nackt – und tatsächlich »zauberte« er vor den Augen seiner entzückten Sponsoren Diamanten aus dem Brennofen. Dass er dabei doch geschummelt hatte, stellte sich erst später heraus: Er hatte sich die Steine vorher besorgt, in Mauerritzen versteckt und in einem unbeobachteten Moment in den Ofen gelegt. Lemoine flüchtete mit dem Geld und wurde Anfang 1909 in Abwesenheit zu zehn Jahren Zwangsarbeit verurteilt. Die Sache ging als »Lemoine-Affäre« in die Kriminalgeschichte ein und illustriert, welches Fieber die Hoffnung auf künstliche Diamanten auslöste. Aber die Hoffnung war zu diesem Zeitpunkt noch unendlich größer als die Fähigkeit, sie im industriellen Maßstab einzulösen. So wussten die Forscher vor 100 Jahren noch gar nicht, was eigentlich die Härte des Diamanten ausmacht – sie jagten quasi einem Ziel hinher, das sie gar nicht genau kannten. Erst seit man mit Röntgenstrahlen den Kristallbau untersucht, wissen wir, was dem Diamanten seine enorme Härte verleiht: Es ist seine Kristallstruktur – die Anordnung seiner Atome.

Der Vergleich mit einem anderen Kohlenstoff, dem Graphit, macht die besondere Eigenschaft des Diamanten deutlich. Im Graphit, wie wir ihn von der Bleistiftmine her kennen, sind die Atome in zweidimensionalen Schichten angeordnet. Die einzelnen Schichten sind nur über sehr schwache atomare Bindungen miteinander verknüpft und können leicht gegeneinander verschoben werden – das Material ist weich. Im Diamanten dagegen bilden die Atome keine Schichten, sondern dreidimensionale Gitter. Darin ist jedes Kohlenstoffatom mit vier Nachbarn verbunden: Hier kann sich nichts mehr bewegen – das Material ist hart. So hart, dass es selbst den Elektronenfluss eines angelegten elektrischen Stroms stoppt: Das härteste Mineral der Welt ist auch der beste Isolator. Dass diese Festigkeit mit den Bedingungen in den Tiefen des Erdmantels zu tun hat, also mit hoher Hitze und starkem Druck, das war auch den Pionieren der Diamantsynthese bewusst. Aber wie viel Hitze, wie viel Druck braucht man, damit aus graphitischem Kohlenstoff Diamanten werden? Auch Henri Moissan hatte noch auf Versuch und Irrtum setzen müssen, als er seine Kunstdiamanten »ausbrütete«. Heute, nach unzähligen Versuchen, die Verhältnisse im Erdmantel zu simulieren, sind wir schlauer: Eine Temperatur von 1000 bis 1500 °C ist nötig und ein Druck von 53000 bis 100000 bar. Das erste Unternehmen, das eine kontrollierte Industriefertigung von synthetischen Diamanten auf die Beine stellte, war General Electric. Seine Forscher arbeiteten ab 1954 mit dem Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren HPHT (High-Pressure High-Temperature). Graphit wurde bei Temperaturen von über 1500 °C in einer hydraulischen Presse mit einem Druck von 53000 bar zusammengedrückt. Das Ausgangsmaterial war bei dieser Methode nicht »pur«, sondern großenteils in geschmolzenem Metall (Eisen, Nickel oder Chrom) gelöst. Nach einer gewissen Zeit begann das Metall, seine eingelagerten Kohlenstoffatome abzugeben – sie schlugen sich auf einer Trägerschicht nieder und verbanden sich zur Kristallstruktur des Diamanten. Die Steine, die so entstanden, waren allerdings nur millimetergroß – Brillanten konnte man daraus nicht schleifen. Aber als »Industriediamanten« verliehen sie Schneide- und Bohrwerkzeugen eine widerstandsfähige Schneidkante. In den folgenden Jahrzehnten entwickelten russische Ingenieure die Hochdrucktechnik zur Herstellung künstlicher Diamanten für geheime Rüstungs- und Raumfahrtprojekte weiter: Das Ausgangsmaterial Graphit wurde zusammen mit einer metallischen Schmelze in eine Presse gefüllt – und zum ersten Mal wurde ein echter Diamantkrümel als Seed verwendet. Dann erhöhten die Werkstoffkundler den Druck auf über 80000 bar und die Temperatur auf 2000 °C. Wochenlang liefen die Maschinen auf Hochtouren – und heraus kamen deutlich größere Diamanten als bei General Electric. Vor drei Jahren schafften es die Russen sogar, den (nach eigenen Angaben) wertvollsten Kunstdiamanten der Welt herzustellen. Er soll ein Gewicht von sechs Karat haben – daraus ließe sich schon ein ansehnlicher »Brilli« schleifen.

Aber Schmuck ist nur die eine Seite des Geschäfts: Die Hersteller von synthetischen Diamanten wollen sich auch neue Industriemärkte erschließen. Zum Beispiel könnte man die Steine bei der Produktion von Laserkanonen verwenden: Schickt man die Lichtstrahlen durch künstliche Diamanten, so wird die Energie des Lasers erhöht. In der Medizin wären durch den Einsatz diamantenbesetzter Skalpelle noch genauere Schnitte möglich. Und in der Herstellung von Computerchips könnten die Steine ganz neue Perspektiven eröffnen: Sie eignen sich prinzipiell zur Verwendung als Halbleiter, die – weitere Forschung vorausgesetzt – in Bauelementen eingesetzt werden können für hohe Leis-tungen, sehr hohe Temperaturen und extreme Strahlung. Für den Einsatz des Kunstedelsteins im Chip ist es erforderlich, dass der Diamant nicht die Form eines Klunkers hat, sondern eine dünne Scheibe bildet (einen so genannten Wafer), auf die die integrierten Schaltungen aufgebracht werden. Weltweit arbeiten Un-ternehmen an solchen Chip-Diamanten. Die US-Firma Apollo Diamond kommt dabei sogar ohne den bisher erforderlichen hohen Druck aus: Ihre Methode heißt Chemical Vapour Deposition (CVD) – ein Niederdruckverfahren, das auf chemischer Basis funktioniert. Beim CVD-Prozess entsteht eine kristalline Diamantschicht durch die Ablagerung chemischer Dämpfe. Ausgangspunkt ist ein Methan-Wasserstoff-Gemisch, das mithilfe von Mikrowellen so weit aufgeheizt wird, dass sich ein Plasma bildet. Von Plasma spricht man, wenn sich durch hohe Temperaturen Gas-Atome ionisieren, also in ihre Bestandteile aufspalten: Die subatomaren Elementarteilchen – negativ geladene Elektronen und der positiv geladene Rest – bewegen sich dann unabhängig voneinander. Plasmen bilden sich auch in der Natur: etwa in der Korona der Sonne, bei Blitzentladungen und Auroras.
Dass die Wasserstoffmoleküle und der Kohlenstoffträger Methan ionisiert und in kleinere Bestandteile zerlegt werden, hat einen einfachen Zweck: Dadurch lassen sich bei geringer Temperatur und einem niedrigen Druck (einige Millibar bis ein bar) die Kohlenstoffatome leichter abscheiden – sie schlagen sich wie Dampf auf einer Trägerfläche nieder. Hier verbinden sie sich zur Kristallstruktur von Diamanten – eine erste hauchdünne Schicht entsteht. Je nachdem, welche Dicke benötigt wird, lässt man sie »wachsen« – mit den schnellsten Verfahren ist sie innerhalb von Stunden so dick wie ein menschliches Haar..

Seit Aufdampfungsmethoden wie die CVD bekannt sind, ist ein Wettrennen um den ersten Diamantchip ausgebrochen. Denn die Verwendung der Diamanten als Halbleiter brächte enorme Vorteile: Während im herkömmlichen Material Silicium die integrierten Schaltungen bereits bei 150 °C durch Kurzschluss versagen, halten Mikrochips aus Diamantfolien bis zu 1000 °C aus. Dadurch wäre die aufwändige Kühlung per Ventilator überflüssig – und die Schaltungen ließen sich noch enger packen als heute. So könnte der Diamantchip die nächste Evolutionsstufe des Computers einläuten: noch leistungsfähiger, noch kleiner. Aber gemach – der Teufel steckt auch hier im Detail. Damit Diamanten als Halbleiter funktionieren können, müssen sie erst leitfähig gemacht werden – z. B. durch den Zusatz von Bor. Das klappt inzwischen. Schwerer tun sich die Forscher damit, dass die winzigen Körnchen der Diamantschicht ungeordnet liegen: An den Kontaktstellen zwischen den einzelnen Körnern wird die Stromleitung erheblich gestört. Für Halbleiterbauelemente sollte jedoch die Diamantschicht aus einem einzigen großen Kristall ohne Störungen bestehen..

Wie das gelingen kann, haben jetzt Augsburger Forscher um den Physiker Matthias Schreck gezeigt. Sie haben die CVD-Methode weiterentwickelt, indem sie die Anordnung der Diamantkörnchen auf der Trägerschicht steuern: Mit einem speziellen Verfahren werden die Körnchen so gut ausgerichtet, dass sie nahezu perfekt zusammenpassen und deshalb zu einem einzigen Kristall »zusammenbacken«. Ströme können nun ungehindert fließen. Das funktionierte, weil ein bestimmtes Material als Trägerschicht gewählt wurde: ein dünner Film aus Iridium. Dieses Edelmetall passt in seiner Struktur sehr gut zu Diamant. Die kleinen Diamanten unterwerfen sich deshalb »dem Diktat« des darunter liegenden Iridiums und übernehmen seine perfekte Ausrichtung.

Die Augsburger Forscher