什麼是人工合成鑽石?

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合成鑽石是在實驗室人工合成,具有與天然鑽石基本相同的物理性質、化學成分和晶體結構。目前合成寶石級鑽石的方法主要有高溫高壓合成法(HPHT合成法)和化學氣相沉積法(CVD法)。

高溫高壓法(簡稱HPHT)合成鑽石

高溫高壓合成鑽石的原理

目前世界上流行的高溫高壓合成鑽石的設備主要有兩面頂(belt,歐美國家主要流行)、六面頂(大陸特有)和分割球(barssplitsphere,俄羅斯)或改良的分割球(Gemesis公司)。

高溫高壓合成法又稱為種晶觸媒法。石墨是低壓穩定相,金剛石(鑽石的礦物學名稱)是高壓穩定相。由石墨直接向金剛石進行轉變,所需的壓力和溫度條件都很高,一般需要10GPa、3000℃以上的壓力和溫度。如果在有金屬觸媒參與的條件下(如Fe、Ni、Mn、Co等以及它們的合金),石墨變為金剛石所需要的溫壓條件將大為降低,所以目前高溫高壓法合成鑽石都有金屬觸媒參與。作為溶劑的金屬觸媒處於碳源(一般為石墨)與金剛石籽晶之間。碳源處於高溫端,籽晶處於低溫端,由於高溫端的碳源的溶解度大於低溫端的溶解度,由溫度差所產生的溶解度差則成為碳源由高溫端向低溫端擴散的驅動力,碳源在籽晶處逐漸析出,金剛石晶體漸漸長大。由於晶體生長的驅動力是由溫度差所致,因此也將該方法稱為溫度差法。

高溫高壓合成鑽石的基本特徵

HTHP合成鑽石常為立方體、八面體及二者的聚形;顏色常為黃色、黃褐色,內部常見有色帶、金屬包裹體等特徵,未熔的金屬包體呈針狀、片狀、小柱狀或不規則的外觀,具金屬光澤,致使合成鑽石有磁性。

合成鑽石在長波紫外線下通常無熒光,短波下常有黃色、綠黃色、橙黃色的熒光,合成鑽石在超短波紫外線或陰極射線下有特徵的分帶現象,不同的生長區顯示不同顏色的熒光分帶。

科技的進步,為美化人們的生活提供了更多的可能與便利。人工晶體技術的發展為市場提供了更多更廉價的材料,鑒定技術的提高則為市場與消費起到了監督與維護的作用。人工合成鑽石,尤其人工合成彩色鑽石,讓愛美人士能以較低的消費享受到彩色鑽石帶來的裝飾美。

化學氣相沉積法(CVD)合成鑽石

CVD合成鑽石的原理

化學氣相沉積(CVD)通常是在高溫等離子的作用下,含碳氣體被離解,碳原子在基底上沉積成鑽石膜。基底可以是非鑽石材料,但單晶鑽石通常是碳原子在鑽石基底上沉積而形成。含碳氣體通常是指含氮、甲烷和氫的混合氣體,甲烷是合成鑽石碳原子的來源,氮可以增加生長速度,氫可以抑制石墨的形成。通常CVD合成鑽石是在低壓高溫條件下進行,壓力一般小於一個大氣壓,溫度在1000度左右。

在實驗室里培育出來的CVD鑽石是板狀的

CVD合成鑽石的基本特徵

CVD合成鑽石單晶大都呈板狀,偶爾可在邊部見到小的八面體面和菱形十二面體面。早期的CVD合成鑽石顏色多為暗褐色或淺褐色,而近期發現的CVD合成鑽石被證明經過後期高溫熱處理,因此顏色為無色或近無色。CVD合成鑽石中不會出現金屬包體,因此不具有磁性。

早期CVD合成鑽石呈現橙色到橙黃色熒光,短波強於長波;近期 新髮現的CVD合成鑽石具有黃綠色熒光,短波強於長波,且多具有磷光。在超短波紫外燈下,CVD合成鑽石具有典型的層狀生長結構,是CVD合成鑽石的主要鑒定特徵。

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