CVD法合成钻石，是工业钻还是宝石级钻？

界定工业级钻石和宝石级钻石是以钻石矿出产的天然钻石为基础的，品质好的钻石用于钻石元胚，那就是宝石级钻石；品质差的够不上宝石用途的会用于工业用途，那就是工业级钻石。

CVD合成钻石是以天然钻石加以很多气体在特定压力温度环境下长时间合成的，合成钻石包括HTHP法、CVD法等都限于实验室阶段，未能大规模应用于工业用途，也未能进入珠宝市场，因为合成钻石和人工处理钻石都具有独特的特征，在专业的人员和仪器鉴别之下这些钻石会被区分出来，所以市场上附有证书的钻石可以认为都是天然钻石。

CVD是化学气相沉淀法的简称，是培育钻石的一种方法，通俗的讲：就是科学家模拟天然钻石的生长环境，在实验室用化学气相沉积法培育出来的钻石就是CVD钻石，是真正意义上的钻石，不是那些仿钻。

钻石本质上是由碳构成，更确切的说，是由高度有序的碳原子组成。虽然地质学家仍在研究钻石如何于10亿至30亿年前在地球上形成，但根据一项发表在《自然》（Nature）杂志上的研究，他们认为钻石的形成过程是这样的：

1 二氧化碳被掩埋入地下100英里（约160公里）。

2 加热到1200摄氏度。

3 被每平方厘米5,1000千克的压力紧紧压缩。

4 迅速流向地球表面降温。

可以看到，天然钻石的形成条件非常苛刻，因此天然钻石具有很高带的经济价值。由于天然钻石的稀少，这就催生了人造钻石：目前有两种方法可以在实验室中合成钻石。

第一种合成钻石的方法被称为高温、高压法（简称HPHT法）。这是最接近地球内部产生的钻石，原料是石墨（没错，石墨本质也是碳，是碳的一种同素异形体。我们最常接触到的石墨就是铅笔），把石墨置于高温、高压以及金属催化剂的体系中。通过HPHT法，石墨的晶体结构被破坏重组，在几天之内就能形成钻石。然而，这些钻石不像天然钻石那么纯，因为在反应体系中，有金属催化剂参与其中。

另一种合成钻石的方法就是化学气相沉积法（简称CVD法），这种方法无需巨大的压力，并且还能产生比天然钻石更完美的人造钻石。先把一块钻石置于减压室中，然后用微波束轰击天然气，形成碳的等离子体。当气体加热到2000度时，碳原子就像“雨”一样落在减压室的钻石上并依附在其之上，然后完美的钻石就能在一夜之间生长出来。最后，再用高功率的激光把钻石切割成想要的形状就行。

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1) 天然钻石当然是由金刚石加工成的名贵宝石，也是最有价值的。cvd培育钻石可以理解为人工模拟钻石的生长环境制造出来的和天然钻石成份一样的钻石，也就是实验室钻石，权威鉴定所可以鉴定并区别出来，生产方式是cvd培育钻石和天然钻石的最大区别。

2) cvd培育钻石和天然钻石的区别就是一个是自然形成，一个是人为加工，但成份一样，都是纯碳结构，硬度也一样，据说还有其它的人造钻石比天然钻石更硬。天然钻石的莫氏硬度是10，是自然界最硬的物质。

3) 天然钻石和cvd培育钻石的价格区别，价格是价值的体现，天然钻石的价值自不用多说。cvd培育钻石不了解的人可能觉得会很便宜，其实不然，cvd培育钻石的生产条件极其苛刻，所以生产出来的cvd培育钻石成本也是极高的，就算是现在条件相对成熟一点，一克拉cvd培育钻石也得几千人民币的价格，而天然钻石一克拉少则两三万，多则七八万，主要还得看钻石品质。

 

4）cvd培育钻石由于是人为加工，所以在净度和颜色上会比一般钻石更优质，这也是cvd培育钻石和纯天然钻石的区别。颜色和净度是对钻石价格有很大影响的，天然形成的品质不能一概而论，有好的有次的。cvd培育钻石的品质往往会更优质，cvd培育钻石切工出来的火彩也更是有过之而无不及。

5）cvd培育钻石可以加工出更多大颗粒钻石，而天然钻石大颗粒稀少昂贵。

cvd培育钻石加工方法主要有两种：高温高压法（HPHT钻）和化学气相沉积法（CVD钻）。

高温高压法以石墨或钻石粉作为制作cvd培育钻石的主要材料。高温高压法适合用来生产小颗粒的钻石（不足1克拉），目前世界上流行的高温高压cvd培育钻石的设备主要有相面顶（belt，欧美国家主要流行）、六面顶（我国特有）和分割（bars splitsphere，俄罗斯）和改良的分割球（Gemesis公司）。

除了八面体表面，HPHTcvd培育钻石晶体通常还会显示立方体表面。由于天然和 HPHTcvd培育钻石晶体的形状不同，它们的内部生长模式也大不相同。这些生长模式可能是将其区分的最可靠方法之一。

天然钻石在一系列温度和压力条件下生长。其温度比cvd培育钻石所用的温度更高。在高温下，钻石生长为八面体晶体，但在较低的实验室温度下，它们生长为同时包含八面体和立方体晶面的晶体。

化学气相沉积法则适合用来生产大克拉钻石（主要是1克拉）。

化学气相沉积法是用微波加热、放电等方法激活碳基气体，比如甲烷，使之离解出碳原子和氢原子，再将游离的碳原子结合形成钻石。通常CVD合成钻石是在低压高温条件下进行，压力一般小于一个大气压，温度在1000度左右。

化学沉淀法主要包括化学气相沉淀法和化学液相沉淀法。用化学液相沉淀法合成欧泊、绿松石、青金石和孔雀石等多晶宝石材料的方法及鉴别在本书宝石各论中已进行了介绍，本节主要介绍用化学气相沉淀法（简称CVD法）合成多晶金刚石薄膜、大颗粒钻石和碳硅石单晶材料的工艺过程。

一、CVD法合成金刚石薄膜

早在20世纪50年代和60年代，美国和前苏联的科学家们先后在低压条件下实现了金刚石多晶薄膜的化学气相沉淀（CVD）开发研究，虽然当时的沉淀速率非常低，但无疑是奠基性的创举。进入80年代以来，科学家们又成功地发展了多种CVD金刚石多晶薄膜的制备方法，如热丝CVD方法、微波等离子体CVD方法、直流等离子体CVD方法、激光等离子体CVD方法、等离子增强PECVD方法等。随着合成技术的日趋成熟，金刚石薄膜的生长速率、沉积面积和结构性质已经逐步达到了可应用的程度。

1CVD法合成多晶金刚石膜的原理

化学气相沉淀法是以低分子碳氢化合物（甲烷CH4、乙炔C2H2、苯C6H6等）为原料所产生的气体与氢气混合（有的还加入氧气），在一定的温压条件下使碳氢化合物离解，在等离子态时生成碳离子，然后在电场的引导下，碳离子在金刚石或非金刚石（Si、SiO2、Al2O3、Si C、Cu等）衬底上生长出多晶金刚石薄膜层的方法。以金刚石为衬底生长金刚石薄膜的CVD方法也叫做外延生长法。有人曾利用微波等离子体CVD方法，以CH4和H2为原料在金刚石衬底的（100）表面成功地生长了厚度为20µm的金刚石外延层，该外延层具有平滑的外延生长表面和高的晶体质量，生长速度为06µm/h，而在金刚石（110）和（111）面的外延生长的晶体质量较差。这说明，金刚石的同质外延层的质量直接与衬底金刚石的晶面取向有关。

2等离子增强PECVD法工艺条件

等离子增强PECVD方法是目前合成金刚石薄膜采用最多的方法之一，其反应装置见图4-1-28。

图4-1-28 PECVD法合成金刚石薄膜示意图

等离子增强化学沉积法（PECVD）工艺需要使用能源装置，将输入的气体电离，产生出富含碳的等离子气体带电粒子。碳氢化合物气体通常采用甲烷和氢气，其体积比为（01～1）∶（09～9）；反应过程中需要的温度为700～1000℃，压力为（07～2）×104Pa。在上述工艺条件下，碳氢化合物气体粒子分解，碳原子沉积在基体材料上，形成合成金刚石薄膜。

3CVD方法合成金刚石薄膜的应用

据介绍，化学气相沉淀法合成的金刚石薄膜在工业上的用途极广，例如可做机械零件上的镀膜以增加耐磨性和润滑性；使用在电子产品上可提高散热效果；可以用来制作超级计算机的芯片、最好的滤波器；用在光学产品上可增强透视效果、保护镜片；在医学上可做人工关节的界面、人工心脏的阀片、最好的抗酸碱和辐射的保护膜；军事上可做导弹的雷达罩；日常生活上可用于不粘锅、音响振动膜、剃刀片护膜、条码机护膜等。

目前，CVD方法合成金刚石薄膜在宝石业方面的应用，主要有下列几种：

1）在各种仿制钻石刻面上镀合成金刚石薄膜，以使其具有天然钻石的部分性质。

2）在天然钻石表面镀彩色金刚石薄膜用来改变刻面钻石的外观颜色，模仿彩色钻石。

3）在切磨好的钻石表面镀金刚石薄膜，可以增加成品钻石的重量。

4）在硬度低的宝石表面上镀金刚石薄膜以增强其耐磨性等，例如在德国已有人对鱼眼石或蓝晶石进行金刚石薄膜处理并获得专利。

5）合成金刚石薄膜技术可用于欧泊表面镀膜处理，防止其失水和产生龟裂现象。

二、CVD法合成钻石单晶体

近十几年来，化学气相沉淀法合成技术得到了飞速发展，尤其是2003年，CVD技术取得了新的突破，可以以相对低廉的成本生长出大颗粒的单晶体钻石，颜色、净度都可以达到较高的等级，甚至可以切磨出1ct以上的D色级、净度级别为IF的首饰用钻石。2005年5月17日美国华盛顿卡内基地球物理实验室分别在日本第十届钻石新科技国际会议和英国宝石协会的Gem-A Mailtalk网上宣布：他们通过对化学沉淀技术的改进，可以以100µm/h的速度快速生长出10ct、半英寸厚的高品质、无色的单晶钻石。但是，合成技术的细节均未透露。

CVD法合成单晶钻石的原理是将甲烷和氢气导入反应腔，利用电热丝、微波、火焰、直流电弧等设备，将碳从化合物分解成原子，在反应腔内形成等离子体。甲烷中的碳原子已具备四个键的结构，在氢的催化作用下，使每一个碳原子与四个碳原子结合形成钻石结构，并逐渐沉淀生长在预先制备好的“基座”上，其生长速度通常为每小时一微米至数十微米。生长基座可使用天然或高温高压合成的钻石切成平行{100}晶面的薄片，用微波加热形成等离子场，在800～1000℃、1/10大气压

1atm（标准大气压）=101325Pa。

的条件下，可按需要合成出不同厚度或粒度大小的钻石。

CVD法合成钻石如图4-1-29所示。

图4-1-29 CVD法合成钻石

三、合成碳硅石晶体

1概述

早在一个世纪以前，合成碳硅石（SiC）就被制造出来了，并作为磨料在工业上得到了广泛的应用。SiC单晶的生长也已被研究多年，生长出的SiC单晶主要有两种用途：一是作为一种半导体材料，二是在珠宝方面作为一种钻石的代用品。

1955年，莱利（Lely）采用升华法生长出了合成碳硅石晶体，奠定了合成碳硅石发展的基础。虽然用这种方法生长的晶体尺寸较小，且形状不规则，但生长的晶体质量很好，故莱利法一直是生长高质量碳硅石单晶体的方法。1980年初，俄罗斯的戴依洛夫（Tairov）等人对莱利法进行了改进，采用籽晶升华技术（又称物理气相输送技术）生长出碳硅石大晶体，且有效地避免了自发成核的产生，宣告有控制地生长合成碳硅石技术获得了成功。这种材料其刻面宝石的颜色可近似于无色。这种合成材料由北卡罗莱纳州道哈姆地区的克瑞研究公司（Cree Researchinc）生产，并由C3公司销售。

1995年创立的美国诗思有限公司（Charles＆Colvard Ltd），其前身即C3公司，采用高科技成果在高温常压下解决了合成碳硅石的颜色、透明度问题，合成了大颗粒宝石级合成碳硅石晶体，并经过精密的切割后镶嵌在铂金和K金首饰上，正式推向国际市场。到2000年，生长出的合成碳硅石晶体直径已达到100mm。目前，合成碳硅石年产量可达7万多克拉。

2合成碳硅石单晶技术

图4-1-30 戴维斯专利中的合成碳硅石生长设备结构简图

1990年，戴维斯对莱利法进行了改进，其成熟的技术获得了专利。该方法的设备结构简图如图4-1-30所示。工艺中用于生长合成碳硅石单晶的原料粉末经过多孔的石墨管后加热升华成气态，直接在籽晶上结晶，生长出梨晶状的Si C单晶体。整个过程既有物态的变化，也有物质结构的变化。

戴维斯专利的工艺条件为：

1）粉料的粒径应加以控制，并使用超声波振荡法填料。

2）籽晶与粉料应属于同一多型，并且籽晶的取向应稍稍偏离轴向。

3）生长初期应抽真空，而后施以低压氩气。

4）采用耐热的石墨套管加热，其中补给区温度为2300℃，晶体生长温度低于补给区温度100℃。

5）籽晶的旋转和生长过程中生长晶体位置的调整要准确无误，该方法能生长出达宝石级的有色6H型合成碳硅石晶体，直径12mm，厚度6mm，生长周期为6h。某些生长出的合成碳硅石梨晶表面显示出与钻石表面相似的三角形凹坑。