HTHP和CVD化学气相沉积法实现合成钻石

天然钻石形成于33亿年前,最年轻的钻石也在9.9亿年前,相比天然钻石的悠久历史,诞生于上十八世纪中期的人工合成钻石算得上是新事物。随着一代代科学家的努力,合成钻石的方法也越来越丰富。目前能够实现产业化的技术主要有两种:高温高压法(简称HTHP)和化学气相沉积法(简称CVD)。

1.HTHP(高温高压)法

HTHP——实验室中,利用先进的设备和前沿技术还原自然环境,将砂砾大小或是薄片装的钻石作为种子,置入培养仓内,为钻石的生长提供原子结构模板;高温高压环境下,在培养仓里,温度和压强将迅速升高,达到地底深处过百里公里处的高温高压环境,人工创造天然钻石苛刻的形成条件;通入含碳养料,石墨(C)或甲烷(CH4)将碳源加入培养仓,在高温高压环境和特殊处理下,原料中的碳原子间的化学键将断裂,成为游离的碳原子;种子培育大小,游离的碳原子会被附近的碳原子结构吸引,所以他们会逐渐附着在钻石种子上,与钻石种子的碳原子结合,形成新的化学键,从而让种子逐步长大。

HPHT技术是模拟天然钻石在地壳中高温高压的生成环境而合成的钻石,其目的是改变或改善某些特定种类钻石的天然体色,使其呈现更有价值的颜色。一般来说,颜色方面可升级至4-6个等级。不过不是每颗钻石都能接受该技术处理,必须要有J色以上(针对开普系列),且不含杂质、高净度的质量。在处理时,无法预测其结果。也就是说,不能确定可以提升到什么等级。同时,经过HPHT处理的钻石也有可能颜色加深或改变,成为彩钻级别。

2.CVD(化学气相沉积)法

就是高温高压HPHT法合成钻石所使用的最常见的设备之一,它有一个专业学名,叫做“六面顶压机”。简单讲,它有上下,左右,前后,六个不同的面,三个方向,互相向放置了碳源以及金属触媒的生长仓加压并使用碳加热棒向加温,形成一个55000-60000个大气压力,温度1400℃以上的环境。这个设备就可以培育出跟天然钻石一模一样的人造钻石的结晶。

培育钻石

CVD化学气相沉积合成钻石是以一颗母石(钻石)作为基底。在相对低温(800度)的环境下,把甲烷(CH4)和氢气(H2)混合后用微波加热产生等离子体,经扩散对流,最后以钻石的结构形态沉淀在基片上。让甲烷中的碳原子不断沉积到母石基底上。合成钻石一层层地增生,钻石便会以基底为基础,迅速“长大”。因此,CVD合成钻石拥有和天然钻石完全一样的化学成分和物理构成。CVD技术合成的钻石仅用肉眼从外观上看,与天然真钻没有任何区别。