钻石的合成机理及应用研究

钻石的合成机理及应用研究钻石是指经过琢磨的金刚石，金刚石是一种天然矿物，是钻石的原石。简单地讲，钻石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体。人类文明虽有几千年的历史，但人们发现和初步认识钻石却只有几百年，而真正揭开钻石内部奥秘的时间则更短。在此之前，伴随它的只是神话般具有宗教色彩的崇拜和畏惧的传说，同时把它视为勇敢、权力、地位和尊贵的象征。如今，钻石不再神秘莫测，更不是只有皇室贵族才能享用的珍品。它已成为百姓们都可拥有、佩戴的大众宝石。钻石的文化源远流长，今天人们更多地把它看成是爱情和忠贞的象征。合成钻石是实验室的人工产品，具有与天然钻石一样的化学及物理特性。美国通用公司于1954年首度成功制造出工业质量的合成钻石，1970年成功合成出第一颗宝石级合成钻石，由于制作成本及设备生产时间的问题仍存在，现在市场上可以见到的宝石级的合成钻石还是以黄色为主。2.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，由于热力学及钻石是指经过琢磨的金刚石，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年合成的可切磨的合成钻石只有3500ct，仅占当天然宝石钻石产量的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，在固相基片如种晶上沉积形成金刚石单晶薄膜或多晶质薄膜，获得的工业用途的多晶金刚石薄膜。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。最近有据报道说，美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室的研究人员已能用CVD非常快速地生产出很大的钻石。他们用CVD快速(100μm/h)生产出了10ct、半英寸厚的单晶钻石差不多有5倍于用一般高压高温合成方法和其它CVD方法商业性生产的钻石。他们还用这种方法生产出了从紫外到红外都是透明的无色单晶钻石。有几个小组已开始用生产钻石单晶但生产大的无色和无瑕的钻石单晶体始终是个难题。2004年卡内基的研究人员发现高压高温热处理不仅能优化CVD钻石的光学性质,而且能提高其硬度。采用新技术后现今他们已能够用CVD生产出透明的钻石而不再需要高压高温热处理。为了进一步加大合成钻石晶体的尺寸他们用CVD顺序地在钻石基片的6个面上生长宝石级钻石。他们宣称,用这种方法能够实现英寸级约300ct)无色钻石单晶的三维生长。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年合成的可切磨的合成钻石只有3500c，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，在固相基片如种晶上沉积形成金刚石单晶薄膜或多晶质薄膜，获得的工业用途的多晶金刚石薄膜。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。最近有据报道说，美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室的研究人员已能用CVD非常快速地生产出很大的钻石。他们用CVD快速(100μm/h)生产出了10ct、半英寸厚的单晶钻石差不多有5倍于用一般高压高温合成方法和其它CVD方法商业性生产的钻石他们还用这种方法生产出了从紫外到红外都是透明的无色单晶钻石。有几个小组已开始用CVD生产钻石单晶但生产大的无色和无瑕的钻石单晶体始终是个难题200年卡内基的研究人员发现高压高温热处理不仅能优化CVD钻石的光学性质而且能提高其硬度。采用新技术后现今他们已能够用CVD生产出透明的钻石而不再需要高压高温热处理。为了进一步加大合成钻石晶体的尺寸他们用CVD顺序地在钻石基片的6个面上生长宝石级钻石他们宣称用这种方法能够实现英寸级约300ct)无色钻石单晶的三维生长。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年合成的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，在固相基片如种晶上沉积形成金刚石单晶薄膜或多晶质薄膜，获得的工业用途的多晶金刚石薄膜。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。最近有据报道说，美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室的研究人员已能用CVD非常快速地生产出很大的钻石。他们用CVD快速(100μm/h)生产出了10ct半英寸厚的单晶钻石差不多有5倍于用一般高压高温合成方法和其它CVD方法商业性生产的钻石。他们还用这种方法生产出了从紫外到红外都是透明的无色单晶钻石。有几个小组已开始用CVD生产钻石单晶但生产大的无色和无瑕的钻石单晶体始终是个难题。2004年,卡内基的研究人员发现,高压高温热处理不仅能优化CVD钻石的光学性质而且能提高其硬度。采用新技术后现今他们已能够用CVD生产出透明的钻石而不再需要高压高温热处理。为了进一步加大合成钻石晶体的尺他们用CVD顺序地在钻石基片的6个面上生长宝石级钻石。他们宣称用这种方法能够实现英寸级(约300ct)无色钻石单晶的三维生长。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。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。人们对钻石的研究仍存在很多待解之谜，这也是向人类科技进步提出的挑战。我国是世界上最大的合成金刚石生产国，但是国内对金刚石和钻石的研究文献和报道极少。在这些大量产品中，会有多少产量能达到钻石级别，或用于首饰，这一问题也引起一些国内外机构的高度关注。