如何区分天然钻石和合成钻石

　　天然钻石与合成钻石的区别：

　　鉴定特征

　　1、晶体形态

　　天然钻石为八面体，凸晶。菱形十二面体或它们聚形，不规则形态。

　　合成钻石为八面体和立方体聚形，晶形完美，晶面平直，晶棱锐利。

　　2、吸收光谱

　　天然钻石415nm特征吸收线，除此之外还有423nm、435nm、478nm吸收谱线。

　　合成钻石缺失415nm吸收线，有时出现470nm-700nm宽吸收带。

　　3、异常双折射

　　天然钻石带状、波状、斑块状，格子状异常消光。

　　合成钻石不显示或弱的异常清光。

　　4、内含物

　　天然钻石为天然矿物包襄体，如钻石、石榴石、透辉石等。

　　合成钻石为Fe-Ni合全包襄体，呈棒状、针状、片状等。

　　5、色带

　　天然钻石颜色均匀，难见色带，有时可见平行分布的斑块状色带。

　　合成钻石颜色不均匀，蓝色、**合成钻石显示四边形、八边形、柱状等色带和色区。

　　6、发光性

　　天然钻石LW无成蓝白、黄等各色荧光；SW不显示或弱的荧光。

　　合成钻石LW无荧光或黄—黄绿色荧光；SW黄-黄绿色荧光，强于LW荧光。

　　7、阴极发光

　　天然钻石可以产生蓝白色荧光，且颜色和发光强度均匀一致。

　　合成钻石阴极发光图像具有X形状。

　　补充：

　　钻石是指经过琢磨的金刚石，在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳 (C)元素构成，具有立方结构的天然白色晶体。钻石具有宗教色彩的崇拜和畏惧，同时又把它视为勇敢、权力、地位和尊贵的象征。现在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，也有人把它看成是爱情和忠贞的象征。

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001%。

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~

HPHT是高温高压处理的简称，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。

过去称Pegasus钻石、GE POL钻石。之所以称为GE钻石，是因为　美国GE公司研发出来的技术，由以色列LKI子公司POL公司在1999年独家销售的新产品。

HPHT技术是将天然钻石经高温、高压处理，以提升钻石的颜色等级。一搬来说，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，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。

红、蓝宝石改善技术由于天然红、蓝宝石资源的稀缺，目前已有多种改善处理新技术被应用于提高刚玉宝石的质量。这些处理技术主要包括：助熔剂热处理法、表面扩散处理法、深层扩散处理法及最新的铅玻璃充填法。

目前的助熔剂热处理法就是加入硼砂或硅土等助熔剂来愈合裂隙或充填开放裂口及空洞，以此提高宝石的硬度。表面扩散热处理法即往坩埚中添加致色化合物，将传热处理法不能处理的无色蓝宝石改色为彩色蓝宝石。钛和铁化合物通常被用来产出蓝色蓝宝石，而铬化合物被用来处理红宝石。这些过渡金属元素仅能在很浅的深度上扩散进入宝石并致色，因此这种处理方法能够很容易地通过浸油放大观察等方法检测出来。深层扩散处理法即将轻元素(如Be)由外部扩散至刚玉晶格中，Be元素已经被证明是作为**色心的稳定剂参与处理宝石的呈色机制。红宝石的铅玻璃充填法是最新的提高净度的处理技术，已于2004年中期出现于宝石市场上。这种处理法包括以高折射率玻璃(如铅玻璃或脱玻化玻璃)充填裂纹或开放裂隙，能很容易地被EDXRF(X射线衍射)检测出来。

核辐射技术在宝石中的应用利用核辐射技术，对天然宝石进行改色处理，已是当今应用宝石材料学和应用物理学研究领域里的前沿和热门课题。主要包括粒子辐射宝石赋色法、γ射线辐射宝石赋色法和中子辐射宝石赋色法。目前涉及到辐射赋色的宝石品种主要有钻石、蓝宝石、绿柱石、黄玉、电器石、锆石及养殖珍珠。

过去只有GE公司拥有此类技术，且处理方式被列为最高机密。然而随着世界技术水平的增加，现在在世界各地都有一些公司或机构具备对钻石进行高温高压处理的技术，成为威胁世界天然钻石产业的新现象。

消费者甚至一些鉴定实验室是无法分辨HPHT钻石与天然钻石间的差别。最简单的方式是消费者在购买时一定要索取世界权威证书，IGI鉴定证书都会在证书上和钻石腰部注明该钻石颜色经过HPHT处理，所以消费者在阅读证书时要留意该字样。

消费者在购买钻石时切忌贪图便宜，一定要索取相关的权威证书 化学气相蒸镀乃使用一种或多种气体，在一加热的固体基材上发生化学反应，并镀上一层固态薄膜。所谓CVD（Chemical Vapor Deposition化学气相沈淀）钻石是以一块天然钻裸石为母石，利用高纯度甲烷、加上氢、氮等气体辅助，在微波炉中以高压方式，让甲烷中与钻石一样的碳分子不断累积到钻石原石上，经过一层层增生，可形成大至10克拉之透明钻石。为使CVD的钻石生长顺利，碳源常用已具钻石结构的甲烷。甲烷可视为以氢压出的单原子钻石。这种「长大」的钻石，品质与天然钻石几无二致，肉眼难辨。

1．蓝白钻

一种纯净得像水一样的无色透明钻石，其中尤其带淡蓝色为最佳。如"世纪之星(Centenary)"等。

2．红钻

一种粉红色到鲜红色的透明钻石，其中尤以鲜艳且深红者为稀世珍品。澳大利亚是其主要来源。 ( 在红色彩钻分级上只有一级就是Fancy Red，没有Fancy Intense、Vivid、Light Red)

3．蓝钻

一种天蓝色，蓝色到深蓝色的透明钻石，其中以深蓝色者为最佳。这种钻石与所有其他颜色的钻石不同，它含有硼的元素且具导电性能。因其特别罕见，故为稀世珍品。如世界名钻"希望(The Hope)"等，南非普里米尔矿山是其主要来源。

4．绿钻

一种淡绿色到绿色的透明钻石，大多因为晶体结构变形而产生，颜色通常只在钻石表面，绿色钻石不容易有草原绿茵般的明亮色彩，其中以鲜绿色者的价值最为不斐。如名钻"卓士登(The Dresden)"是世界最大的绿色钻石。

5．紫钻

一种淡紫色到紫色的透明钻石，比无色钻石贵三倍，其中尤以紫红色者为稀世珍品，前苏联是其主要来源。

6．彩黄钻

一种金色的透明钻石，是有色钻石中的常见品种，若颜色呈现金黄亮彩“金丝雀黄”，如第凡尼名钻(The Tiffany)其价值惊人，1983年当时估计已有1200万美元。

7 橘色钻

橘色乃黄和红色的混和体，通常色调较深呈棕色的感觉，而纯橘色于天然彩钻中至为稀少罕见。1977年10月纽约苏富比拍卖上，554ct的Fancy Vivid Orange(Pumpkin Diamond)以一百三十多万美元的高价售出。

8．黑钻

黑色金刚石通常不能作为宝石级钻石，但世界名钻"黑色奥洛芙(The Black Orloff)"据传是印度圣庙中镶于圣象上的钻石，又称梵天之眼。钻石的4C标准指的是:钻石重量(Caratage),钻石切工(Cut),钻石颜色(Color),钻石净度(Clarity)应从以下四个方面考虑(4C)：

（1）颜色(Colour)：以无色为最好，色调越深，质量越差。在无色钻石的颜色分级里，顶级颜色是D色，依次往下排列到Z，我们在这里只说从D到J的颜色级别，D-G是无色级别，G-J是近无色级别，从K往下就基本没有收藏和佩戴意义了。因为从K往下钻石就会逐渐偏黄，我们选钻的时候，尽量选H 以上的颜色，I-J的级别虽然也在近无色的范畴，但多少也能察觉到一丝微黄．具有彩色的钻石，如：红、粉红、绿、蓝色等，又属于钻石中的珍品，价格昂贵。其中又以红钻最为名贵

（2）净度（Clarity)：净度分级的依据是内含物的位置，大小和数量的不同来划分的．净度级别由高到低详细可分为FL,IF,VVS1,VVS2,VS 1,VS2,SI1,SI2,SI3,P1,P2,P3应在十倍显微镜下仔细观察钻石洁净程度，瑕疵越多，所在位置越明显，则质量越差，价格也相应地要降低。

（3 克拉重量(Carat)：在其他三C相同的情况下，钻石的价格与重量的平方成正比，重量越大，价值越高。钻石的重量是以克拉为单位的。1克拉（ct）=02克(g)。把一克拉平均分成一百份，每一份是一分，商场价签上标的03ct，04ct就是我们说的30分40分．

（4) 切工(Cut)：一颗钻石的原石，即使扔到大马路上也不会有人去注意，是切工赋予了它第二生命，让它有着绚丽的火彩．切工是指成品裸钻各种瓣面的几何形状及其排列的方式．切工分为切割比例，抛光，修饰度三项。每一项都有五个级别，由高到低依次是EXCELLENT,VERY GOOD,GOOD,FAIR,POOR一般我们所见的都是标准圆钻型切工。顶级切工的石头，它对于光线的反射可以达到一个最接近完美的比

天然钻石和合成钻石部是由碳原子构成的，并且是按照相同的晶体点阵排列，所以它们具有相同的物理性质。无色的合成钻石通常需要非常复杂的技术，生产这种无色的合成钻石同样非常不易，目前国际上知名的合成钻石商是Diamond Foundry，做的非常好，美国联邦贸易委员为都为了他们修改了行业定义，不再称呼这类钻石为“人工合成”，也在法律层面上承认了培育钻石就是真正的钻石。在国外已经很受欢迎了，在各种场合众多好莱坞明星都有佩戴DF的产品，比如说茱莉亚罗伯茨、艾玛沃森等等，被誉为科技钻石、环保钻石，有很多普通的消费者也会选择他们的钻石来当婚戒。他家曾被CNBC评选为50大颠覆者之一，是时代周刊2018年50大创新发明之一。而且性价比高啊，也就是说在同等价位中能为消费者提供更大克拉钻石，他们天猫上就有旗舰店的。

钻石主要由碳元素组成的。

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。

钻石在天然矿物中的硬度最高，其脆性也相当高，用力碰撞就会碎裂。源于古希腊语Adamant，意思是坚硬不可侵犯的物质，是公认的宝石之王。

卡，或译克拉、克拉（Carat），是钻石的质量单位。一卡相等于200毫克，相传早期钻石商人称量钻石所用的砝码为稻子豆树（carob）果实，一粒这样的果实大约就重200毫克。因为钻石的密度基本上相同，因此越重的钻石体积越大。越大的钻石越稀有，每卡的价值亦越高。

钻石的化学成分是碳，这在宝石中是唯一由单一元素组成的，属等轴晶系。常含有005%-02%的杂质元素，其中最重要的是N和B，他们的存在关系到钻石的类型和性质。晶体形态多呈八面体、菱形十二面体、四面体及它们的聚形。

纯净的钻石无色透明，由于微量元素的混入而呈现不同颜色。强金刚光泽。折光率2417，色散中等，为0044。均质体。热导率为035卡/厘米/秒/度。用热导仪测试，反应最为灵敏。硬度为10，是目前已知最硬的矿物，绝对硬度是石英的1000倍，刚玉的150倍，怕重击，重击后会顺其解理破碎。一组解理完全。密度352克/立方厘米。钻石具有发光性，日光照射后 ，夜晚能发出淡青色磷光。X射线照射，发出天蓝色荧光。

钻石的化学性质很稳定，在常温下不容易溶于酸和碱，酸碱不会对其产生作用。

钻石与相似宝石、合成钻石的区别：

宝石市场上常见的代用品或赝品有无色宝石、无色尖晶石、立方氧化锆、钛酸锶、钇铝榴石、钇镓榴石、人造金红石。因为合成钻石要比天然钻石费用高，所以市场上合成钻石很少见。钻石以其特有的硬度、密度、色散、折光率可以与其相似的宝石区别。如：仿钻立方氧化锆多无色，色散强（0060）、光泽强、密度大，为58克/立方厘米，手掂重感明显。钇铝榴石色散柔和，肉眼很难将它与钻石区别开。

钻石的鉴定 钻石是天然物质中最坚硬的物质，钻石可刻划任何其他宝石，但其他任何宝石却都刻划不动钻石。也可以用“标准硬度计”刻划，凡硬度小于9度，均是假钻石。钻石还具有亲油性，如以钢笔在钻石表面划一条线，则成一条连续不断的直线，而其他宝石则呈断断续续的间断线。上述方法在鉴定钻石中都有一定参考价值。还可以通过10倍放大镜观察，在10倍放大镜下，多数钻石可见霞疵，有三角形的生长纹，钻石的表面有“红、橙、蓝”等色的“火”光。光芒四射。最准确可靠的方法是用“热导仪”，测出导热数据来区分真假钻石，但“热导仪”价格比较昂贵。 由于钻石是高贵豪华的首饰品，目前市场上以廉价宝石、人造宝石甚至玻璃来代替或冒称钻石屡见不鲜，常见的形形色色的假钻石有以下几种： ①锆石：与钻石极为相似，是钻石最佳代用品。鉴定方法是，锆石由于具有偏光性和很大双折射率，当用10倍放大镜观察加工后的锆石棱面时，由其顶面向下看，可以看出底部的棱线有明显的双影，而钻石绝无双影现象。 ②玻璃：玻璃的折光率很低，没有钻石那种闪烁的彩色光芒；尤其是沉入水中，玻璃制品光彩全无，立即露出马脚。 ③苏联钻：即立方氧化锆，最早由苏联人研制成功，故名。苏联钻是人造化合物，但在色散、折光率等方面与天然钻石很接近，也具有“火”光闪闪的诱人外貌。但它的硬度较低(85)，可与钻石互相划刻区分。且导热性远低于钻石，可以“热导仪”鉴定，准确将其区分开来。 ④水晶：水晶虽然是天然矿物透明晶体，经加工后似钻石，但缺少钻石的彩色光芒。 祝你好运

早在18世纪的后期就已经证实了钻石和石墨都由碳元素组成，后来就开始了合成钻石的研究工作，经过较长时间的艰苦努力，于20世纪中叶才在实验室合成出人工钻石，初期的合成钻石仅仅是磨料级的。我国在20世纪60年代也合成出了磨料级钻石。

高温超高压法现又称为高温高压法（HTHP）。由于超高压设备和高温技术的限制，起初合成钻石进展较缓慢。直到1970年，美国GE公司才公布了第一颗宝石级合成钻石的诞生，之后几年各国一直在保密的情况下进行研究。进入90年代，合成钻石有了突破性进展，日本的住友公司、英国的戴比尔斯公司和美国的GE公司等相继公布了他们合成的宝石级钻石，引起了珠宝界的震惊。

关于合成钻石的方法，可分为静压法、动压法和气相外延生长法。大颗粒宝石级钻石主要是用高温超高压（HTHP）静压法中的晶种触媒法（包括压带法和BARS法）及最近多种媒体报道的化学气相沉淀法（CVD法）合成的，本节及第七节将分别予以重点介绍。

一、HTHP法合成钻石的原理

1石墨与钻石的转换

合成钻石就是人为地模拟天然钻石的形成条件，使非金刚石结构的碳转化为金刚石结构的碳。

钻石的晶体结构是1913年由WLBragy等测定出来的，钻石大部分呈立方结构而石墨则呈层状结构。金刚石的结构详见本书“钻石”一节，石墨结构如图（4-1-20）。

图4-1-20 石墨结构图

钻石中碳原子的2s、2px、2py、2pz四个轨道形成四个sp3杂化轨道，形成四面体配位，每个碳原子与周围的四个碳原子形成共价饱和键，键长0154nm。

石墨的碳原子分布在六角环上，每一个碳原子为相邻的三个碳原子所围绕，其间距为0142nm。相邻两层碳原子错位堆积，层间的间距为034nm，键力相对弱得多，所以石墨具一组极完全解理，可以滑移而分开。在高温高压下石墨可以转化为金刚石。

如图4-1-20所示，石墨的层间排列，间距为034nm，碳原子错位堆积；高压下Z轴方向中层间互相接近，由于碳原子错位堆积，1 ′、3 ′、5 ′向上运动，1、3、5、2 ′、4 ′、6 ′向下运动，从而石墨结构变为金刚石结构。

图4-1-21 碳的相图

2合成钻石的生长机制

长期以来，各国科学家都在努力寻找金刚石晶体生长的条件。图4-1-21是石墨－金刚石转换相图。由相图可知：固相区I为石墨区，Ⅱ为金刚石区，Ⅲ为金属碳区，还有液相区。在低压高温区，主要以石墨相存在，只有在较大的压力和较高的温度范围内，金刚石才是稳定的相。除气相法、外延生长法之外，金刚石晶体生长都在较高的压力范围内，触媒法可以使压力降低一些。

由相图4-1-21还可以看出，在相图上部，碳质原料在超高压高温下，碳原子集团经过压缩、切变、热振动，使非sp3杂化的原子轨道向sp3杂化转化，从而使金刚石成核生长。在低于上述压力下，在金刚石、石墨稳定区界线上，压力和温度不足以使碳原子达到金刚石结构。但如果利用熔剂－触媒的复合作用，仍可达到目的，因为这些熔剂的熔化温度相对低，并与碳共熔，使碳原子与熔剂相互扩散，形成二维、三维的间隙相，最终形成金刚石相。

现代的科技条件，很容易实现稳定可靠的技术装备和实验条件，因此，生长出宝石级钻石就成为可能。近几年，各国科学家进行了大量研究，就温度、压力、时间等实验条件和熔媒种类、碳质原料种类、杂质影响等各方面得出许多实验资料和经验，从而更加完善了合成钻石的生长理论。

二、HTHP法合成宝石级钻石的设备与合成工艺

（一）HTHP法合成钻石的设备

静压法合成钻石的设备大致可以分为四部分，即大吨位的液压机、合成钻石用高温高压容器（即模具）、加热系统和控制检测系统。

由于采取的是超高压设备，从技术上有许多难题，如材料的力学性能要高，加工精度高，压机能长时间保持压力稳定并可以升压和降压。这对压机油缸、密封、液机元件、机械加工精度等均提出了很高的要求，达到这些要求绝非易事，它与整个机械工业水平有关。

此外，对于压力容器的要求则更高。首先是材料问题，能承受高温下500×108Pa以上的压力的材质较少，且价格昂贵，高压下材料的性能有可能改变，甚至会自爆。目前，加热系统和测量系统已实现了自动化。

实现HTHP法的设备方案较多，有六面顶、四面顶、两面顶。下面以两面顶年轮式为例介绍一下设备原理（见图4-1-22）。1为油压机机架，可以整体铸造，对于小于1000吨位的压机可以采用铸件，如果吨位较大，可以用缠绕式机架，即机架由钢丝或钢带缠绕而成；2为高压容器，是合成金刚石的关键部分，对它的材质、加工精度、形状设计都有严格的要求；3为油缸，内部活塞靠高压油上下移动，使模具压紧，这和其他类型油压机原理类似。

年轮式高压模具如图4-1-23所示。

图4-1-22 主压机示意图

图4-1-23年轮式高压模具

图4-1-23中1为压缸，它是由硬质合金做成的，一般为W、Co、C合金，w（Co）=15%;2为压砧，也是硬质合金，一般w（Co）=6%;3为耐热含金钢环；由压缸和压砧组成一个舱体4，是合成金刚石的室。年轮式高压模具也可用钢丝缠绕而成，以使应力分布更合理，从而提高模具的使用寿命。合成金刚石所采用的生长舱有各种结构，简单的生长舱结构如图4-1-24所示。

图4-1-24中，1为叶蜡石，是理想的固体传压介质和绝缘介质，由于它含结晶水，影响金刚石的合成，目前大部分是用烧过的叶蜡石粉末再压制成型，不仅降低成本，提高了材料利用率，而且满足了合成工艺的要求。叶蜡石是合成金刚石工艺中的关键性辅助材料，其作用是：传压、保温、绝缘、密封。

图4-1-24 金刚石生长舱

图4-1-24中，2为石墨片，合成金刚石就是使石墨结构的碳转化为金刚石结构的碳，因此，碳质材料是关键材料。从理论上讲，各种形式的碳均可以转化为金刚石，但研究表明，不同的碳质材料对生长金刚石的数量、质量和颗粒大小均有相当大的影响，石墨转化为金刚石的自由能较低，因此使用较广泛。现在国内常用的石墨材料为GAI（原SK-2），它是采用熟石油焦粉、沥青焦粉和鳞片石墨为原料，并外加熔化沥青作结合剂加工而成的。

碳质材料是影响合成金刚石质量和产量的重要因素之一，为了获得较好的金刚石，对石墨有如下要求：①石墨有一定的气孔率，这样可以增加反应面积；②在合成金刚石的碳质素中，含少量Ni、Fe、Na、Co等元素是必要的，因为这些元素在合成过程中可以促进碳原子的活化，破坏原生的结构，为金刚石长大创造条件；③对石墨的结晶化程度也有要求，晶体的多少和排列对金刚石的转化都有作用，石墨化程度高，从动力学观点来看，转化为金刚石相对容易。

图4-1-24中，3为金属合金，即触媒片，根据碳的相图，石墨转化为金刚石时要125×1010Pb的压力和2700℃以上的温度，为了使合成温度有所降低，用加入合金的办法，使碳在熔化的合金的作用下，以类似于熔盐法生长晶体的过程生长。在研究过程中，采用了各种金属做试验，现在大部分用Ni、Mn、Co、Fe的合金，甚至有专门用于合成金刚石的合金片，如Ni95Co5、Ni65Mn35、Fe73Co27等。研究表明，Ni、Mn、Co、Fe、Cr等元素或由它们组成的二元、三元、多元合金，是合成金刚石基本的、有成效的触媒合金，若掺入微量Cu、Nb、Mg、B、Al等，不仅可改变金刚石成核与生长的条件，而且还可以生长出不同的金刚石。

晶体生长舱有各种形式的排列和组合，图4-1-25为一种大颗粒金刚石生长室的结构。把原料如图装进生长舱（即压缸）内，起动压机，把两个压头压紧密封，并通电加热。用这种加压、加温方式，可以生长出大于1mm的金刚石，但单次产量不高。

图4-1-25 大颗粒金刚石生长舱

关于高温加热系统，在静压法中有直接加热和间接加热两种，直接加热是通过反应材料本身发热，间接加热是通过套在外面的石墨管（与缸体绝缘）加热。

（二）HTHP法合成宝石级钻石的工艺过程

最常见的合成宝石级钻石的方法是压带法和BARS法。

1、压带法合成钻石工艺

1955年通用电器公司（GE）宣布利用压带（belt）装置首次成功生产出合成钻石，直至1970年通用电器公司采用晶种触媒法经过七天的生长获得了大于5mm、重约1ct的钻石单晶，其生长舱如图4-1-26所示。

图4-1-26 合成宝石级钻石生长舱（a）和改进后的生长舱（b）

图4-1-26所示的生长舱分上下两部分，作为碳源的金刚石粉放在压腔中心区，两端放置籽晶，触媒金属（铁或镍）放在碳源与籽晶之间，利用碳管的电阻加热（用碳管的不同厚度或用其他热材料放在不同部位也可改变温度梯度），在舱内保持一定的温度梯度，中心碳源区温度最高，端部结晶生长区的温度最低。当加热到1700℃时，金属触媒熔融，中心碳源区的金刚石粉就不断溶解到金属触媒中变成游离碳原子。起初，碳的密度比金属小，因此籽晶有从底部晶床向舱体中心区（籽晶被溶解）或从中心区向上端晶床上浮的倾向，约1h后达到平衡。顶部晶床含有许多细小的金刚石晶体，而在底部晶床上剩下少量的金刚石晶核，由于碳在金属中已达到饱和，所以金刚石晶核不再继续溶解，金属熔融体中的碳开始了缓慢的扩散过程。由于舱体内温度中心区高、两端低，所以中心区溶解的碳原子多于端部，并向端部进行扩散，从而沉积在金刚石晶核上。这个过程不断进行，直到中心区的细金刚石粉用完为止。若能使舱体中部与端部的温度梯度保持在30℃/cm时，晶体就能稳定地生长成宝石级大小的金刚石。又由于底部晶床晶核少，故能获得大的宝石级金刚石。

实验证明只要保持温度为1370℃、压力为60×109Pa，生长一周即可获得5mm大小（约lct）的宝石级金刚石。若在舱体中加入适当的微量元素，可改善金刚石的性能，使金刚石着色，如加入氮，可使金刚石晶体显**；加入硼，呈蓝色，并具有半导体的性质。

2“BARS”法合成钻石工艺

1990年俄罗斯公布了他们用BARS系统生长合成钻石的成果，BARS的意思是分裂球无压装置。近年来，美国Gemesis公司的技术人员在俄罗斯技术的基础上改进，设计了一个新的BARS“分离体”的装置。该装置合成舱体（大约有25cm厚）中的压力是从一个连续的碳化钢压砧复合施压而获得的。内舱设置6个压砧，这些压砧位于立方体的面部，围绕着合成舱体；外舱设置8个压砧，它们位于八面体的面部，围绕着内舱。整个排列好的多压砧部件被放在两个钢铸的半球中（这两个铰接的半球就称为“分离体”，可以作为压砧和合成舱体的通道），有两个大钢铗把这些部件连接在一起，见图4-1-27。这种“BARS”装置采用石墨管来加热合成舱体。

图4-1-27 改进的“BARS”法合成钻石装置

经过改进的设备具有使用寿命较长、生产率高、操作较为简单、更容易维护等特点。重要的是，它的操作十分安全，在操作过程中高压容器泄漏而导致危险的机率也很小。除了纯度、浓度和晶体的初始生长外，商业化宝石级合成钻石生长的关键是要小心谨慎地通过电脑控制整个晶体生长过程的温度和压力，以保证持续稳定的生长环境。另一个技术创新就是铸造半球可以开合，便于进行样品的装卸。

使用这种改进的设备，生长35ct的合成钻石晶体大约需要80h。合成钻石中**的浓度及晶体的外形、对称性、透明度，均可以控制在一定的范围内。该装置曾用实验的方法在一个舱体内生长出多个晶体，晶体生长的周期为36h。但是，由于容积所限，这些晶体生长得很小。倘若舱体内生长4个晶体，则每个晶体只有06ct大小；如果舱体内生长8个晶体，则每个晶体只有035ct。

“BARS”法合成钻石的工艺条件为：

1）压力　50～65GPa（相当于5万～65万大气压）。

2）温度　1350～1800℃。

3）触媒　各种过渡金属（如Fe、Ni、Co等）。

4）种晶　天然钻石或合成钻石。

5）碳源　石墨粉或金刚石粉。

种晶的定位决定了生长晶体的晶形。在合成舱体的顶端（亦称“热端”，放置碳源）和底端（亦称“冷端”，放置晶种）存在着很小但却很重要的温差。该温差为钻石晶体的生长提供了动力，因此，这项技术也被称为“温度梯度”法。在高温高压的条件下，原料区的石墨粉迅速在热端熔融于金属熔剂中。在温度梯度的推动下，热区碳原子通过熔剂，向舱体冷端扩散，最终沉积在籽晶上，结晶成为单晶体。