鉴定人工合成钻石GROWN使用化学气相沉积

鉴定人工合成钻石GROWN使用化学气相沉积（CVD）PhilipM.Martineau,SimonC.Lawson,AndyJ.Taylor,SamanthaJ.Quinn,DavidJ.F.Evans,andMichaelJ.Crowder已经进行了在DTC研究中心的研究表明，单晶CVD金刚石合成从天然金刚石明显的区别。本文介绍了有关信息CVD工艺，其发展历史，所述不同种的CVD合成金刚石材料可以产生的，并且从天然金刚石区分它们的特性。该作者比生长为一千CVD合成金刚石样品研究得比较使用各种不同的工艺条件的研究目的。吸收，光致发光，和这些CVD合成金刚石样品的阴极发光光谱表明的范围内没见过天然钻石不同的杂质相关的功能。光致发光成像还查明CVD合成金刚石，和X射线形貌有用可给予支持性的证据。钻石贸易公司钻石核查文书的效力识别CVD合成金刚石也被描述。人造金刚石偶尔被在宝石贸易中遇到，但直到最近注意力几乎完全侧重于含碳通过暴露所产生的那种固体高压和高温（HPHT生长人造金刚石;参见，例如，Shigley等人，1986年，1987年）。多年，然而，科学家已经知道的是，也可以合成含碳金刚石在从低的压力气体，使用化学气相沉积（CVD）技术。虽然创业板交易一直比较不了解CVD法，在过去的二十年里这金刚石合成方法曾作由于许多激烈的全球研究CVD合成的潜在技术应用金刚石材料。马萨诸塞州波士顿的阿波罗钻石公司已经花了很多时间来开发CVD合成金刚石材料中的技术应用和珠宝。2003年8月，这家公司宣布将开始销售数量有限多面的材料开始在第四季度2003（Pridy，2003）。Butler等。（2002）提出了分析结果的单晶CVD合成1面样本钻石由阿波罗钻石生产。初步在考试的几个阿波罗样品的音符出现在创业板新闻国际节2003年秋季发行的本杂志。然后，在冬季2003问题，王等人。给了一个彻底的说明他们所提供的13个样本的研究结果阿波罗钻石，提供有用的指标，以帮助鉴定一种CVD合成金刚石提出了商业首饰生产。自80年代末，钻石贸易公司戴比尔斯集团旗下，已进行出积极的研究调查的影响2鉴定CVD合成金刚石GEMS和宝石学2004年春季图1.这些小面CVD合成（0.21-1.04克拉）范围从无色到褐色。菱形贸易公司面的CVD合成商业上不能可用;他们已经生产仅用于科研教育。拍摄者M.克劳德。的CVD金刚石合成的宝石贸易。该这项研究的目的是要发展的理解的CVD合成金刚石的性质，因此，一个有效而实用的方法进行辨别它从天然金刚石可以开发CVD合成的营销的未来珠宝由如阿波罗钻石公司。由于这些实验的部分，有刻面的石头已经从一些合成金刚石样品产生（参见，例如，图1）。与高温高压生长合成钻石，科学家在DTC研究中心梅登黑德（英国）已开发出一种生长和性能先进的理解的CVD合成金刚石。从这个信息研究程序现在可以传播，以帮助宝石贸易的材料的鉴别一种被商业化生产。本制品的目的是提供宝石学家用的更广泛的理解CVD工艺，其发展的历史，所述不同种的CVD合成金刚石材料可以产生的，并且区分的属性他们的天然钻石。信息提出，将进一步帮助宝石学家鉴定正被那种CVD合成金刚石商业上提供，包括使用钻已开发的核查手段通过钻石贸易公司。图2.该示意图示出了那种微波CVD反应器用于生长CVD合成金刚石。出发的分子气体，通常是甲烷和氢气，解离在被使用微波产生等离子体。创建的化学物种在表面反应晶种（基板）安装在的基反应器，形成CVD金刚石材料。直径可用的增长领域，可能的范围约2至20厘米。CVD金刚石合成与此相反的更广为人知HPHT-生长人造金刚石，CVD合成金刚石生产在低压下，典型地在该区域十分之一大气压，从含碳气体，例如甲烷（参见，例如，巴赫曼，1998年;古德温和巴特勒，1998年）。这种方法合成涉及气体分子分解成从该钻石可以生长反应性物质。这可以以多种方式来完成，从而产生一个一族相关生长技术。在可能是最常见的CVD方法，该气体分子（通常是甲烷和氢气）是在产生的高温等离子体碎裂开利用微波的那种所示的反应器示意性在图2Grotjohn和Asmussen的（2002）描述了这种方法，微波plasmaassistedCVD-在最近的审查。Yehoda（2002年），Wolden（2002），和赫伯利和大竹（2002）已经审查了涉及使用其他技术的热丝，火焰，或等离子喷射。CVD合成金刚石通常生长在在温度的地区举行基板800-1000℃。对于许多工业应用中，硅或金属基材的使用和材料长大是多晶体，因为多个结晶核与不同的结晶取向在衬底上的不同位置（参见，例如，野生等人，1993）。它是非常困难的抛光这样物料进入任何类似传统宝石。单晶金刚石可以基板，然而，被用作进一步单晶的模板生长在人造金刚石生长具有相同的晶向到处在衬底。这被称为同质外延。如果长到足够大的厚度，CVD以这种方式产生的合成金刚石可以抛光到刻面宝石首饰的应用程序。HPHT金刚石合成典型地在温度和压力（在该区域1400℃和55千巴），在该钻石是最碳的稳定形式。下的低压条件下在CVD合成中，钻石是亚稳态。这意味着，它不会自发转换石墨，虽然必须采取措施，以防止石墨的形成。标准CVD工艺使用富含氢的气体混合物中，将氢原子在CVD过程中产生的具有重要在抑制石墨的形成中的作用（见，例如，古德温和巴特勒，1998年）。历史背景1952年，威廉·Eversole，对美国为基础的联盟碳化物公司，展示了同质外延生长金刚石在从低的压力的含碳气体（Kiffler，1956年;Eversole，1962a，B，安格斯，2002年）。这早金刚石的合成在高压和高温（二月1953）在ASEA在瑞典（参见，例如，戴维斯，1984）和（1954年12月），在通用电气公司在美国（邦迪等人，1955）。因此Eversole是相信一直是第一人合成金刚石通过任何方法。的CVD生长率，但是，最初极低，并有相当大的质疑他们可能永远不会足够增加到使该方法在商业上可行。俄研究低压金刚石合成，启动在1956年，导致了较高的增长率，并证实这CVD合成金刚石可能是核对材料比金刚石（安格斯，2002）等。在20世纪80年代初，一个重要的突破是日本制造。Matsumoto等人。（1982a，b）中，研究人员在美国国家研究院的研究无机材料（NIRIM），报道CVD合成经1微米/小时的金刚石生长速率（1微米=0.001微米）。这种发展造成了全球性的兴趣在CVD法合成，由各个刺激CVD合成的潜在的工业应用钻石，许多科学家认为是内达到，利用钻石的超强光学，机械，热和电子性质。在80年代后期，元素六（当时戴比尔斯工业金刚石部）开始研究CVD金刚石的合成，并迅速成为一个领导者在现场（Valentine等的，1994;麦汁等人，1994年;苏萨曼等人，1994;科和苏萨曼2000年），与多晶的相当大的投资组合CVD合成金刚石工业产品（见，例如，图3）。自20世纪80年代后期，钻石贸易公司取得了良好的使用这些功能探索CVD合成的意义金刚石创业板交易。今天，通过合同研究，它继续使用的生长专长元素六在其消费者信心指数技术研究计划。虽然增加的生长速率表现出在NIRIM代表了一个重要突破生产较薄的金刚石层的必要对于一些工业应用中，生产的方位CVD合成所需珠宝增长厚层的单晶金刚石材料。一个0.5克拉圆形明亮式拥有超过300毫米的深度，并在1微米/小时，此厚度的CVD层将取近18个星期增长。生产厚的单晶的CVD合成金刚石因此仍由低增长率阻碍。重要的是，也有对任何一种趋势但非常薄的层生长时的裂纹，并一些研究人员发现，过度生长往往载流氓的微晶（见，例如，津野等人，1994）。一些人认为，这些问题和较低的经济增长率做出CVD合成不切实际路线生产单晶材料的厚度适中的首饰应用。起初，讨论在宝石贸易CVD合成金刚石作者CVD人造金刚石GEMS和宝石学2004年春季4识别图2.该示意图示出了那种微波CVD反应器用于生长CVD合成金刚石。出发的分子气体，通常是甲烷和氢气，解离在被使用微波产生等离子体。创建的化学物种在表面反应晶种（基板）安装在的基反应器，形成CVD金刚石材料。直径可用的增长领域，可能的范围约2至20厘米。鉴定CVD合成金刚石GEMS和宝石学SPRING2004年5仅限于抛光的天然的可能涂层石头影响他们的颜色。例如，掺杂硼CVD合成金刚石涂层可以添加一个蓝色的颜色。表面光洁度，但是，严重的影响，这样涂覆金刚石容易被检测（弗里奇等人，1989年）。在20世纪90年代，E弗里奇报告了使用聚晶金刚石生产新种珠宝（Johnson和Koivula，1997年），从不同的单晶金刚石首饰。大多数研究单晶CVD合成钻石牵涉层非常薄，一般不小于0.1毫米。然而，开始在90年代初，一些研究小组发表的研究稍厚CVD合成金刚石的生长。例如，研究人员在奈梅亨大学，荷兰，报道火焰和热层的灯丝增长可达0.5毫米厚（Janssen等人，1990，1991;Schermer等人，1994年，1996年）。在美国，Crystallume（Landstrass等人，1993年;平。等，1994年）用于微波CVD来产生层相似的厚度，和Badzian和Badzian（1993）中所描述的层的单晶的人造金刚石的1.2毫米厚。最近，利纳雷斯和多林（1999年）和岩等。（2002）中所描述的层的性质单晶CVD合成金刚石，和-作为如上所述，既Butler等。（2002）和Wang等人。（2003）提出的调查结果阿波罗钻石刻面产生的物质。Isberg等。（2002）报道了单测量晶CVD合成金刚石所产元素六的指示显着改善在电子性质，这表明这材料可具有在未来的电子设备。在本文中，术语CVD合成的剩余金刚石应理解为是指单晶CVD合成金刚石。