合成钻石

后勤部长

一、合成钻石的历史和现状

早在18世纪人们就开始了合成钻石的探索，但直到20世纪，由于热力学及高温高压技术的发展，才使钻石的合成得以实现。1953年瑞士工程公司（ASEA）使用压力球装置首次成功地合成出了40粒小颗的钻石，美国通用电气公司（GE）也于1955年采用压带装置合成出了小颗粒的钻石。此后，工业级钻石的合成技术得到广泛应用，目前几乎三分之二的工业用钻已由合成钻石替代了。但直到1970年宝石级大颗粒的钻石才由美国通用电气公司合成成功。经过近三十年的努力，目前已能获得十几克拉大的晶体，但宝石级钻石合成的成本仍然很高，不能进行大批量的生产。2000年可切磨的合成钻石只有3500ct，仅占当年天然宝石级钻石产量的0.01%。

到二十世纪九十年代，采用化学气相沉淀法（CVD）合成钻石薄膜，在固相基片上沉积形成金刚石多晶质薄膜，作为工业用途。2003年，美国阿波罗公司合成出达到宝石级单晶，并开始商业性生产。最近，美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室实现100μm/h的CVD合成钻石的速度，生产出了10ct、半英寸厚的单晶钻石。为了进一步加大合成钻石晶体的尺寸，采用CVD顺序地在钻石基片的6个面上生长 的方法，有可能实现英寸级（约300ct）无色钻石单晶的三维生长。人们还发现，高压高温热处理能改善CVD合成钻石的颜色、提高合成钻石的硬度。

二、 高温高压种晶触媒法合成钻石

（一）合成钻石的原理

钻石和石墨是碳的两种同质多像的变体。根据钻石-石墨的相平衡图可知，在常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，钻石只有在高温高压下才是最稳定的，在高温高压（相图中钻石稳定区的条件）下，石墨的中的碳原子会重新按钻石的结构排列，而形成钻石。

合成钻石的方法主要分静压法、动压法和低压法（即在亚稳定区内生长钻石的方法）。合成工业用钻石主要采用静压法中的静压触媒法，通过液压机产生（4500～9000）X109Pa的压力，以电流加热到1000～2000℃的高温，利用金属触媒实现石墨向钻石的转化。

宝石级合成钻石也是采用的静压法，但加入了种晶，所以又称为晶种触媒法。金属触媒的主要作用是降低石墨向钻石转化的温度和压力条件，提高转化率。同时，金属触媒可以作为碳的溶剂。在适当的温度压力条件下，石墨和钻石都可以溶于触媒中，并且，石墨的溶解度大于钻石，当压力升高时，二者的差异也增大。因此，当石墨在金属触媒中溶解达到饱和时，对钻石而言就已经达到过饱和了，此时，钻石容易从触媒中结晶出来。在合成过程中对温度、压力的控制较复杂，晶体生长的时间较长，所以成本比合成工业钻砂高得多。

（二）合成钻石的晶形、颜色及类型的控制

1、晶形：合成钻石晶体形态主要为立方体与八面体的聚形。合成时的温度对形态有一定的影响。温度较低（1300℃）时以立方体为主，温度较高（1600℃）时以八面体为主。

2、颜色和类型

合成钻石的颜色和类型也可以控制。因为生长舱内充满了空气，空气中含有氮，所以大多数合成钻石都是含孤氮的Ib型钻石。这种钻石多为黄到褐色。如果在反应舱内放一些氮的吸收剂，如锆或铝，则可以获得无色的不含氮的Ⅱa型钻石。如果同时再加入一些硼，则可合成出含硼的蓝色Ⅱb型钻石。

（三）宝石级合成钻石的主要识别特征

1、结晶习性：合成钻石常常为立方体、八面体，及二者的聚形，而天然钻石最常见的形态是八面体、菱形十二面体或二者的聚形或三角薄片双晶。

2、晶面纹理：合成钻石可显示树枝状、漏砂状或交切状纹理，接种面上粗糙不平。天然钻石常见三角凹痕。

3、种晶：存在种晶和种晶幻影区。

4、钻石类型：合成钻石为Ib型或者II型，Ib型经高温处理后可成为Ib和IaAB的混合型。

5、包裹体：针状、片状、针点状的金属包裹体，大量的金属包裹体使得合成钻石具有明显的有磁性，甚至会导电。

6、吸收光谱：合成钻石无415nm吸收线，D.Beers钻石贸易公司（DTC）推出的钻石光谱鉴定仪（DIAMONDSURE，就是通过检测415nm吸收线是否存在来区分天然与合成钻石。

7、紫外荧光：合成钻石的长波紫外荧光弱于短波，而天然钻石的正好相反。

8、荧光分带图案：合成钻石在超短波紫外线下有特征的分带现象，称为“马尔他十字分带”现象。天然钻石则显示年轮状荧光分布。钻石荧光图案鉴定仪（DIAMONDVIEW）是专门用于检测钻石荧光图案特征的仪器。

9、阴极发光：与紫外下荧光分带特征相似。

三、化学气相沉淀法（CVD）合成钻石

（一）基本原理

这种方法是用微波加热、放电等方法激活碳基气体（如甲烷），使之离解出碳原子和氢原子（或甲基CH3和氢原子）， 游离的碳原子形成钻石。

合成的条件是： 温度800～1000℃，约0.1个大气压的CH4＋H2混合气体，过高的H2分压易形成石墨，衬底用钻石晶体，起种晶的作用，生长速度0.01～1mm/h。

（二）CVD合成钻石的主要识别特征

1、生长特征：具有生长层结构，如平行的异常消光纹。

2、钻石类型：CVD合成钻石为Ib型或者含极少孤N的IIa型。

3、红外光谱：在753，7354，6856，6425，5564，3323，3123cm－1处有与H有关的吸收峰，经HTHP处理可将其部分除去，只留下3107cm－1的H－C峰。

4、紫外荧光特征：未经高温高压处理的CVD钻石具有特征的橙红色荧光，高温高压处理后呈黄绿色。

5、荧光图案：CVD合成钻石的荧光图案具有细致的纹理，尤其是在阴极发光下易于观察到。

6、外观特征：切磨的钻石往往呈扁平状，淡褐色到深褐色的体色，但是经HTHP处理后可近于无色。

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