Die Erfindung betrifft künstliche Schmucksteine.
Schmucksteine, insbesondere Edelsteine, werden, bevor sie im Metallkörper eines Schmuckstückes gefaßt werden, geschliffen oder angeschliffen, um das einfallende Licht spektral zu zerlegen und zu reflektieren, wodurch die Brillanz und das Feuer eines Schmucksteines bewirkt wird. Dies setzt jedoch eine Mindestgröße und Reinheit des Schmucksteines voraus. So eignen sich etwa zwei Drittel der geschürften Diamanten nicht zur Herstellung von Schmucksteinen durch Schleifen, weil sie entweder zu geringe Körperlichkeit bzw. Tiefe haben oder sich wegen ihrer Farbe oder ihrer Einschlüsse nur industriell (für technische Zwecke) verwerten lassen.
Die Brillanz bzw. den Glanz erhält der Diamant vor allem dadurch, daß ein großer Teil des in den Schmuckstein einfallenden Lichtes nahezu in die Richtung zurückgestreut wird, aus der es gekommen ist. Dies wird dadurch erreicht, daß das Licht, welches durch die oberen Facetten in den Diamantkristall eingefallen ist, im unteren Brillantbereich reflektiert wird und durch die oberen Facetten wieder austreten kann. Das Licht wird dabei in mindestens zwei Reflexionsschritten um insgesamt etwa (180° ± x°) gespiegelt. Die Anordnung der Facettenwinkel zueinander muß dabei den optischen Eigenschaften der Grenzfläche Diamant/Luft Rechnung tragen, so daß der Winkel der Totalreflexion nie überschritten wird.
Es ist beim Strahlengang im Diamanten wichtig, daß in den Rückfacetten, also im unteren Teil des Diamanten, die Winkel des Lichtstrahlengangs immer größer als die des Totalreflexionswinkels sind. D. h. das Licht wird nach oben zurückreflektiert, andererseits muß das Licht auf die oberen Facetten und die Tafel in einem solchen Winkel auftreffen, daß das Licht austreten kann. Die Diamantbrillanten sind nicht derart geschliffen, daß das Licht exakt in die Richtung zurückgeworfen wird, aus der es gekommen ist (wie es beim Katzenauge der Fall wäre). Vielmehr liegt zwischen einfallendem und austretendem Strahl ein Öffnungswinkel, der zu den ins Auge fallenden Reflexen führt. Der Austrittswinkel ist aufgrund der Dispersion für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich.
Wesentlich für das Feuer des Brillanten ist die Dispersion des Lichtes im Diamanten, die dazu führt, daß das Licht wie in einem Prisma zerlegt und dann als Spektralfarben vom Auge wahrgenommen wird.
Ein weiterer Effekt, der beim Betrachten eines Brillanten auftritt, sind die vielen Reflexe, die aus den Facetten ins Auge fallen, wenn der Brillant gedreht wird. Dies sind die wesentlichen Aufgaben, die die Facetten zu erfüllen haben.
Künstliche nach dem CVD-Verfahren hergestellte Diamantschichten sind entweder zu teuer oder zu dünn, um daraus geschliffene Schmucksteine, z. B. Brillanten, herzustellen, die den beeindruckenden Glanz aufweisen, der ihren Wert begründet. Wichtig für den Glanz ist die Einhaltung einer genauen geometrischen Form, um einen möglichst großen Anteil des einfallenden Lichtes in die Einfallsrichtung zu reflektieren.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von künstlichen Schmucksteinen aus durch Gasphasenabscheidung erhaltenen großflächigen Edelsteinschichten, die trotz der ungünstigen Abmessungen, d. h. der begrenzten Stärke dieser Schichten ein attraktives Aussehen erhalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Schmuckstein gelöst, der aus einem vorzugsweise tafelförmigen Träger oder Substrat besteht, dessen eine Oberfläche mindestens eine pyramidenförmige Vertiefung aufweist und eine durch Gasphasenabscheidung vorzugsweise nach dem CVD- oder PVD-Verfahren erhaltene Edelsteinschicht trägt.
Damit die Edelstein- insbesondere Diamantschicht eines erfindungsgemäßen Schmucksteines Brillanz hat, muß deren auf dem Träger, z. B. einem Siliziumwafer, aufliegende Unterseite entsprechend ausgebildet sein, so daß es wie beim einkristallinen natürlichen Brillanten zu einer Reflexion eines Großteils des einfallenden Lichtes kommt. Dies kann durch eine entsprechende Vorbehandlung der Oberfläche des zu beschichtenden Siliziumwafers erreicht werden. Nach dieser Vorbehandlung weist der Siliziumwafer die notwendige Form als Negativform auf, so daß die Rückseite oder Unterseite der sich bildenden Diamantschicht die entsprechend positive Form erhält. Als Träger oder Unterlage für derartige künstlich hergestellte Diamantschichten eignen sich neben Siliziumwafern auch solche Werkstoffe, wie Edelmetalle, Wolfram, Molybdän oder Hartmetall, die sich gut mit Diamant beschichten lassen und in deren Oberfläche eine entsprechende Struktur eingearbeitet werden kann.
Die Einarbeitung der Struktur in den zu beschichtenden Träger kann in Abhängigkeit von dessen Werkstoff entweder mechanisch, z. B. durch Einschleifen eines bestimmten Profils, elektrolytisch oder aber, insbesondere bei einem Siliziumwafer, chemisch bzw. plasmatechnisch durch Ätzen erreicht werden. Hier können isotrope wie auch anisotrope Verfahren zum Einsatz kommen. Als anisotropes Ätzmittel bietet sich z. B. KOH an. Diese Base führt zur Ausbildung von pyramidalen Ätzgruben im einkristallinen Wafer. Bei Verwendung einer Ätzmaske kann auch mittels eines isotropen Ätzmittels eine pyramidale Struktur in eine Unterlage geätzt werden. Eine geeignete Zusammensetzung der Ätzlösung kann die erforderlichen Winkel der Pyramide erzeugen. Sollte, wie oben erwähnt, eine schrittweise Spiegelung um etwa 180° ± x° erfolgen, müssen die Winkel der Pyramide entsprechend angepaßt werden.
In den Randbereichen des Trägers der Edelsteinschicht können andere Pyramidenwinkel als im mittleren Bereich eingestellt werden. Es ist aber auch möglich, die reflektierenden Flächen (Facetten) an der Unterseite der Schicht mit unterschiedlichen Winkeln auszurichten, um auf diesem Weg die Brillanz und das Feuer unabhängig voneinander einzustellen. Dabei können die Winkel der Facetten so gewählt werden, daß das Licht in der Edelsteinschicht mehrfach hin und her reflektiert wird, wodurch eine starke Aufspaltung der spektralen Farben erreicht wird.
Am einfachsten ist es, durch einen einzigen Ätzangriff auf der gesamten Oberfläche des Trägers gleiche Winkel einzubringen, die z. B. etwa einen Pyramidenöffnungswinkel von 109° aufweisen. Dieser Winkel läßt sich durch Ätzprozeduren leicht erreichen. Vor der Ätzprozedur kann die Oberfläche des Trägers einer Laserschädigung unterworfen werden, um die gewünschte Geometrie leicht zu erreichen.
Es können auch andere Orientierungen als (100) oder (111) Wafer zum Einsatz kommen. Maßgebend ist, das gezielt eingestellte Zusammenspiel von Kristallorientierung der Edelsteinschicht und Richtung des Ätzangriffs, um einen optimalen optischen Effekt zu erreichen. In einer polykristallinen, z. B. nach dem CVD-Verfahren hergestellten künstlichen Diamantschicht sind im Gegensatz zu einem Diamanteinkristall noch Korngrenzen vorhanden, die durch einen abweichenden Brechungsindex als zusätzlich brechende Bereiche zu berücksichtigen sind. Das hat zur Folge, daß die Korngrenzen vorteilhafterweise in ihrer Struktur z. B. säulenartig ausgerichtet sein müssen, um einen positiven Effekt auf Brillanz und Feuer zu haben. In jedem Fall muß der Einfluß der Korngrenzen beim optischen Effekt berücksichtigt werden.
Bei einer einfachen Pyramidenform kann das Licht auch dadurch zurückgestreut werden, daß die Rückseite bzw. Unterseite des Gasphasen-Edelsteines, insbesondere CVD-Diamanten zusätzlich z. B. durch Gold oder Titan verspiegelt wird. Dann erfolgt die Reflexion einfach durch Spiegelung an der Gold- oder Titanoberfläche.
Um der Brillanz und dem Feuer von Einkristallbrillanten möglichst nahe zu kommen, ist eine achteckige Form der Oberfläche der künstlichen Diamantschicht vorteilhaft, die nachträglich in diese eingeschliffen wird. Dabei sind die Winkel in der Unterseite an die geänderten Austrittsverhältnisse anzupassen.
Diese mit einer durch Gasphasenabscheidung erhaltenen Edelsteinschicht versehenen Träger können als Schmucksteine in herkömmlicher Weise, z. B. im Metallkörper eines Schmuckstückes gefaßt werden.
Die die niedergeschlagene Edelsteinschicht tragende Fläche des Trägers oder Substrates muß nicht eben sein; sie kann z. B. konvex sein, um künstliche Schmucksteine in Gestalt eines Cabochon oder Boutton zu erhalten.
Mit der Erfindung lassen sich künstliche Schmucksteine, insbesondere Diamanten nicht mit nur besonderen optischen Eigenschaften wie Brillanz und Feuer, sondern auch mit Oberflächendimensionen, z. B. durch Mehrfachdimensionierung, gewinnen, wie sie mit den in der Natur vorkommenden Steinen nicht annähernd erreichbar sind und auch mit anderen Syntheseverfahren, insbesondere der Hochdruck-Hochtemperatur-Technik aus ökonomisch-technischen Gründen nicht zu erhalten sind. Den erfindungsgemäßen Edelsteinen kann bei der Herstellung durch die Zusammensetzung der Gasphase eine eigene Körperfarbe (z. B. Blau durch Bor oder Gelb durch Stickstoff) verliehen werden, was deren Einsatz bei jedem nur denkbaren Schmuckstück oder jeder denkbaren Verzierung mit Edelsteinen ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schmucksteines wird noch an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
In den Zeichnungen ist aus Gründen der Vereinfachung und Klarheit nur die Edelsteinschicht 1 ohne deren Träger dargestellt, dessen an die Edelsteinschicht 1 angrenzende Seite spiegelbildlich geformt ist.
Die Edelsteinschicht 1 weist auf der Unterseite eine Vielzahl von pyramidenförmigen Erhebungen 2 mit einem Winkel "A" auf und ist an ihrer Oberseite mit einem Achtkantfacettenschliff versehen.
Die auf dem nicht dargestellten Träger fest haftende und geschliffene Edelsteinschicht 1 bildet den erfindungsgemäßen Schmuckstein, der in einem Schmuckstück, z. B. einem Ring, gefaßt werden kann.
Der Träger, auf den die Edelsteinschicht aufgebracht wird, muß nicht die Abmessungen des späteren Schmucksteines haben. Von einem großflächigen Träger mit Edelsteinschicht können Teile abgetrennt und zu einem Schmuckstein ver- bzw. bearbeitet werden.