化学气相沉淀法（CVD）合成单晶钻石综述

颜慰萱　陈美华

作者简介：颜慰萱，中宝协第三届人工宝石专业委员会高级顾问，原中国地质大学（武汉）珠宝学院院长、教授。

陈美华，中宝协第三届人工宝石专业委员会委员，中国地质大学（武汉）珠宝学院教授。

化学气相沉淀法合成钻石有几种方法，如热丝法、火焰法、等离子体喷射法和微波等离子体法等，但最常用的方法是微波等离子体法。这是高温（800～1000℃）低压（104Pa）条件下的合成方法。用泵将含碳气体——甲烷（CH4）和氢气通过一管子输送到抽真空的反应舱内，靠微波将气体加热，同时也将舱内的一个基片加热。微波产生等离子体，碳从气体化合物的状态分解成单独游离的原子状态，经过扩散和对流，最后以钻石形式沉淀在加热的基片上。氢原子对抑制石墨的形成有重要作用（图1，图2）。

所谓等离子体简单说就是气体在电场作用下电离成正离子及负离子，通常成对出现，保持电中性。这种状态被称为除气、液、固态外物质的第四态。如CH化合物电离成C和H等离子体。

图1 微波等离子体法合成CVD钻石

（据Martineau等，2004）

图2 等离子体及碳结晶示意图

当基片是硅或金属材料而不是钻石时，因钻石晶粒取向各异，所产生的钻石薄膜是多晶质的；若基片是钻石单晶体，就能以它为基础以同一结晶方向生长出单晶体钻石。基片起到了籽晶的作用。用作基片的钻石既可以是天然钻石，也可以是高压高温合成的钻石或CVD合成钻石。基片切成薄板状，其顶、底面大致平行于钻石的立方体面（{100｝面）。

一、化学气相沉淀法合成钻石的研发史和现状

1952年美国联邦碳化硅公司的William Ever-sole在低压条件下用含碳气体成功地同相外延生长出钻石。这比瑞士 ASEA公司1953年和美国通用电气公司（GE）1954年宣布用高压高温法合成出钻石的时间还要早，因而Eversole被视为合成钻石第一人。但当时CVD法生长钻石的速度很慢，很少有人相信其速度能提升到可供商业性生长。

从1956年开始苏联科学家通过研究显著提高了CVD合成钻石的速度，当时是在非钻石的基片上生长钻石薄膜。20世纪80年代初这项合成技术在日本取得重大突破。1982年日本国家无机材料研究所（NIRIM）的Matsumoto等宣布，钻石的生长速度已超过1μm/h。这在全球范围内引发了将这项技术用于多种工业目的的兴趣。

20世纪80年代末，戴比尔斯公司的工业钻石部（现在的Element Six公司）开始从事CVD法合成钻石的研究，并迅速在这个领域取得领先地位，提供了许多CVD合成多晶质钻石工业产品。

这项技术也在珠宝业得到应用，那就是把多晶质钻石膜（DF）和似钻碳体（DLC）作为涂层（镀膜）用于某些天然宝石也包括钻石的优化处理。

尽管当时CVD合成钻石的生长速度有了很大提高，使得有可能生长出用于某些工业目的和宝石镀膜的较薄的钻石层，但要生产可供切磨刻面的首饰用材料，因需要厚度较大的单晶体钻石，仍无法实现。一颗 05克拉圆钻的深度在3mm以上，若以0001mm/h速度计算，所需的钻坯至少要生长18周。可见，低速度依然是妨碍CVD法合成厚单晶钻石的主要因素。

20世纪90年代，CVD合成单晶体钻石的研发取得显著进展。先是1990年荷兰 Nijmegen大学的研究人员用火焰和热丝法生长出了厚达05mm的CVD单晶体。后在美国，Crystallume公司在1993年也报道用微波CVD法生长出了相似厚度的单晶体钻石；Badzian等于1993年报道生长出了厚度为12mm的单晶体钻石。DTC和Element Six公司生产出了大量用于研究目的的单晶体钻石，除掺氮的褐色钻石和纯净的无色钻石外，还有掺硼的蓝色钻石和合成后再经高压高温处理的钻石。

进入21世纪，首饰用CVD合成单晶体钻石的研发有了突破性进展。

美国阿波罗钻石公司（Apollo Diamond Inc）多年从事CVD合成单晶钻石的研发。2003年秋，开始了首饰用CVD合成单晶钻石的商业性生产，主要是Ⅱa型褐色到近无色的钻石单晶体，重量达1克拉或更大些。同时，开始实验性生产Ⅱa型无色钻石和Ⅱb型蓝色钻石。阿波罗钻石公司预计其成品刻面钻石在2005年的总产量为5000～10000克拉，大多数是025～033克拉的钻石，但也可生产1克拉的钻（图3，图4）。

图3 无色—褐色CVD钻石

（据Martineau等，2004）

图4 CVD钻石的设备及合成工艺

（据DTC,2005）

2005年5月在日本召开的钻石国际会议上，美国的Yan和Hemley（卡内基实验室）等披露，由于技术方法的改进，他们已能高速度（100μm/h）生长出5～10克拉的单晶体，这个速度约5倍于用高压高温方法和其他CVD方法商业性生产的钻石。他们还预言能够实现英寸级（约300克拉）无色单晶体钻石的生长。

由此可见，首饰用CVD合成钻石的前景是十分喜人的，它对于钻石业的影响也是不可低估的。

二、化学气相沉淀法合成单晶钻石的特征和鉴别

近年来一些研究和鉴定机构一直致力于研究合成单晶钻石的特征和鉴别。我们在这里所要介绍的资料来自于美国宝石学院《Gems＆Gemology》杂志上的3篇论文。

1）Wuyi Wang等（2003）对阿波罗钻石公司此前生产的13粒样品的性质和鉴定特征进行了总结。

2）Martineau等（2004），综述了对 DTC和Element Six公司近15年来生产的上千颗实验样品（包括合成后切磨成刻面的样品）的研究结果。样品中除有与阿波罗钻石公司相同的含氮的褐色钻石和纯净的近无色钻石外，还有掺硼的蓝色钻石和合成后再经高压高温处理的钻石。

3）Wuyi Wang等（2005），对法国巴黎第13大学 LIMHP-CNRS实验室生长的6颗实验样品的性质和鉴定特征进行了总结，其中3颗是掺氮的，另外3颗则是在尽量减少杂质含量的条件下生长的高纯度钻石。

上述论文中所涉及的样品都是用化学气相沉淀法中的微波法生长的，因而论文所总结出的特征和鉴别方法有许多共同点，但由于合成技术方法（包括实验目的和条件，掺杂类型和浓度以及基片类型等）的差别，它们的特征也存在某些差别。

1晶体

因为是以天然钻石、高压高温合成钻石或CVD合成钻石切成平行｛100｝晶面（立方体面）或与｛100｝交角很小的薄片作为基片，故CVD法生长出的单晶体大都呈板状，有大致呈｛100｝方向的大的顶面，偶尔可在边部见到小的八面体面｛111｝和十二面体面｛110｝。八面体面｛111｝和十二面体面｛110｝分布的部位通常含较多的包裹体，是生长质量较差也不易抛光的部位（图5，图6）。

图5 天然钻石、HTHP合成钻石和CVD合成钻石晶体形态

图6 天然钻石和CVD合成钻石的形态差异

用差示干涉差显微镜或宝石显微镜放大观察掺氮钻石的生长表面，可观察到“生长阶梯”，它由“生长台阶”和将它们分隔开的倾斜的“立板”构成（图7，图8）。

图7 CVD钻石在｛100｝面上看到的表面生长特征（据 Wuyi Wang等，2005）

图8 掺氮钻石表面的“生长阶梯”现象

（据 Martineau等，2004）

2钻石类型和颜色

Martineau等（2004）把DTC和Element Six公司迄今的实验样品归纳为4类。

（1）掺氮的CVD合成钻石

因为合成过程中难免会有少量空气进入反应舱，而空气中含氮，添加的原料气体中也会有杂质氮，故要完全排除合成钻石中的氮是困难的。含氮少时属于Ⅱa型，含氮多时属于Ⅰ b型。除少数为近无色外，绝大多数带褐色调（法国巴黎第13大学的样品有带灰色调的），这明显不同于带**调的天然的和高压高温合成的钻石。阿波罗钻石公司现有产品大都属于这一类，多数为Ⅱa型，少数为I b型。已有的实验表明，氮有助于明显提高合成钻石的生长速度，因而有时可人为地有控制地掺氮（图9）。

（2）高压高温处理的掺氮的CVD合成钻石

实验表明，高压高温热处理可以减弱掺氮CVD合成钻石的褐色调。由于掺氮CVD合成钻石的褐色调是与N-V（氮－空穴）心等因素有关而与塑性变形无关，故高压高温减色也是与改造 N-V（氮－空穴）心等有关，而与修复塑性变形无关。

（3）掺硼的CVD合成钻石

合成过程中在原料气体中加入 B2H6，所得到的合成钻石将含少量的硼，属于Ⅱb型，其颜色为浅蓝至深蓝色（图10）。

（4）除氢外无其他杂质的高纯度CVD合成钻石

属于近无色到无色的Ⅱa型钻石。由于氢是原料气体的组成部分，有杂质氢是不可避免的，因而关键是严格控制氮和硼，这有相当难度，而且生长速度比掺氮的要慢许多（图11）。

图9 掺氮褐色CVD钻石

图10 掺硼蓝色CVD钻石

（图9～11据 Martineau等，2004）

图11 高纯度CVD钻石

3颜色分带

在垂直晶体生长方向（即平行于｛100｝面的方向）进行放大观察，在Element Six公司的实验样品中可看到颜色的成层分布。在掺氮的褐色钻石中可见褐色的条带，而在掺硼的蓝色钻石中可见蓝色的条带（图12）。

在阿波罗钻石公司的产品中也见到有褐色的条带。

图12 阿波罗钻石公司的产品中的褐色条带

（据Wuyi Wang等，2003）

4包裹体

较少含包裹体，不是在所有样品中都能观察到。主要是一些针点状包裹体，还有一些小的黑色不规则状颗粒，叫非钻石碳（图13）。因这些在天然的和高压高温合成的钻石中也能见到，故鉴定意义不大。但微波CVD合成钻石中不会有高压高温合成钻石中常见的金属包裹体，也不会有磁性。

阿波罗钻石样品中的几颗掺氮成品钻石的净度级别为VS1到SI2。

图13 针点状包裹体（左）和非钻石碳包裹体（右）

（据Wuyi Wang等，2003）

5异常双折射（图14，图15）

图14 CVD钻石异常消光（左）和天然钻石异常消光（右）

（据Wuyi Wang等，2003）

图15 平行生长方向观察（上）和垂直方向观察（下）

（据 Martineau等，2004）

在正交偏光显微镜下垂直立方体面观察，通常可见到由残余内应变而导致的格状的异常双折射，显示低干涉色，但围绕一些缺陷可见到高干涉色。整体上其异常双折射弱于天然钻石，但在边部八面体面｛111｝和十二面体面｛110｝分布部位有较强的异常双折射和较高的干涉色。

6紫外荧光

阿波罗公司的13颗样品，在LW UV下有8颗呈惰性，其余的呈微弱的橙、橙黄或**；在SW LV下除1颗样品外都显示从微弱到中等的橙到橙**。未见有磷光。

法国巴黎第13大学的样品，包括掺氮的和高纯度的，除1颗是连同基片的未确定外，其余在LW UV和SW UV下均呈惰性。

Element Six的14颗掺氮刻面钻石在LW UV和SW UV下均呈弱橙色到橙色。8颗刻面的高纯度CVD合成钻石在LW UV和SW UV下均呈惰性。5颗刻面的掺硼钻石在LM UV下均呈惰性，在SW UV下均呈绿蓝色并有蓝色磷光。

综上所述，除掺硼钻石外大多数CVD合成钻石在 LW UV和SW UV下的反应变化很大，可呈惰性到橙色，很难作为鉴定依据。

7用 DiamondView（钻石观测仪）观察到的发光现象

用戴比尔斯的DiamondView观察CVD合成钻石在短波紫外光下的发光特点，发现掺氮钻石呈现强橙到橙红色的荧光（图16，图17，图18），这与N-V心有关。经高压高温处理的掺氮钻石主要呈绿色。高纯度的CVD合成钻石在 DiamondView下不显橙色荧光，但有些样品有微弱的蓝色发光，这与晶格中的位错有关。这种蓝色发光也会出现在掺氮钻石的四个角。CVD合成掺硼钻石呈亮蓝色荧光，一些部分为绿蓝色（图19），有磷光效应，可延续几秒到几十秒钟。CVD钻石在Diamond-View下不显示天然钻石的八面体发光样式和高压高温合成钻石的立方－八面体发光样式。有趣的是，当CVD钻石是在高压高温合成钻石的基片上生长，而基片又未去掉时，可看到高压高温合成钻石的立方－八面体发光样式（图20）。

图16 DiamondView观察CVD钻石的发光现象

（据Martineau等，2004）

图17 DiamondView观察阿波罗钻石的发光现象

（据Wuyi Wang等，2003）

CVD掺氮钻石在垂直｛100｝的切面上可看到密集的斜的条纹（条纹间距相当稳定，不同样品中从0001mm到 02mm不等）。这是CVD合成掺氮钻石一个重要的鉴别特征。天然Ⅱa型钻石虽偶尔也有橙色发光，但没有这种条纹。掺氮钻石经高压高温处理后的发光变为绿色到蓝绿色，但密集的条纹依然可见（图21）。

图18 在高压高温合成钻石基片上生长的CVD钻石，在DiamondView下与基片呈不同颜色

（据Wuyi Wang等，2003）

图19 CVD合成掺硼钻石的荧光

（据Wuyi Wang等，2003）

图20 CVD掺氮（左）和CVD高纯度钻石（右）荧光

（据Wuyi Wang等，2005）

图21 未处理及高温高压处理后荧光对比

（据 Martineau等，2004）

CVD掺硼钻石在DiamondView下同样显示条纹或是凹坑或两者都有，这一特征未见于天然Ⅱb型蓝色钻石（图22）。

图22 CVD掺硼钻石的条纹和凹坑

（据Martineau等，2004）

8阴极发光图像

同上述DiamondView发光特征。

9光致发光光谱和阴极发光光谱（图23，图24）

在拉曼光谱仪上分别使用325nm（HeCd，氦镉）、488nm（氩离子）、514nm（氩离子）、633nm（HeNe，氦氖）和785nm（近红外二极管）激光束照射Element Six公司的各种样品并研究其发光光谱，以及用阴极射线照射 Element Six公司的各种样品并研究其发光光谱，Martineau等（2004）得出了表1结果。

表1 各种钻石的发光光谱特征

Martineau等同意Zaitsev（2001）的意见，认为467nm和533nm只出现在CVD合成钻石中，但指出高压高温处理后将不复存在；也同意Wuyi Wang等（2003）的意见，认为596nm和597nm对于CVD掺氮钻石有鉴定意义，但指出并非所有样品都有596/597峰。

10紫外－可见光－近红外吸收谱和红外吸收谱（图25，图26，图27）

图23 用514氩离子激光束辐照掺氮CVD钻石产生的发光光谱

（据Martineau等，2004）

图24 用325nm氦镉激光束辐照含氮CVD钻石（A）和同一样品经高压高温（B）产生的发光光谱

（据Martineau等，2004）

图25 掺氮CVD钻石（A）和同一钻石经高压高温处理后（B）的紫外－可见光吸收谱

（据Martineau等，2004）

用几种类型的光谱仪研究Element Six公司各种类型的CVD合成钻石后，Martineau等（2004）得出了表2结果。

表2 各种钻石的光谱特征

Martineau等（2004）认为，紫外－可见光－近红外光谱中的365nm、520nm、596 nm和625nm吸收对于CVD合成掺氮钻石是特征的，在高压高温处理的掺氮钻石中已不见，也未见于天然钻石和高压高温合成钻石中。

图26 阿波罗公司掺氮CVD钻石的红外光谱

（据Wuyi Wang等，2003）

Martineau等（2004）还同意 Wuyi Wang等（2003）的意见，认为红外光谱中与氢有关的8753cm-1,7354 cm-1,6856 cm-1,6425 cm-1,5564 cm-1,3323 cm-1和3123 cm-1对于CVD合成掺氮钻石是特征的，在高压高温处理的掺氮钻石中已不见，也未见于天然钻石和高压高温合成钻石中。3107cm-1吸收出现在高压高温处理后，也见于某些天然钻石。

图27 阿波罗掺氮CVD钻石的红外吸收谱

（据Wuyi Wang,2005）

11X射线形貌分析

在平行于生长方向的切面上进行的X射线形貌分析显示出明显的柱状结构，而在垂直生长方向的切面上看到的是许多暗色斑点或呈模糊的格子状。分析认为这种柱状结构是钻石晶体生长过程中一些位错从基片分界面或靠近分界面处出现并开始向上延伸的结果。

三、结束语

对于现今少量进入市场的成品掺氮钻石，略带褐色调、成品厚度较薄以及异常消光特点等能为鉴别提供一些线索，但最终的鉴别需要依靠大型实验室的DiamondView和阴极发光图像分析和谱学资料，包括发光光谱和吸收光谱资料。由于CVD合成单晶体钻石工艺的不断完善，特别是高纯度CVD钻石的出现及对掺氮CVD钻石的高压高温热处理，使现今能有效鉴别掺氮CVD钻石的发光图像特征和谱学特征也不再有效，这就进一步增加了鉴别的难度。但我们相信宝石学界一定会不断分析总结新出现的情况，找到鉴别的办法。

主要参考文献

Philip MMartineau,Simon CLawson,Andy JTay-lor2004Identification of synthetic diamond grown using chemical vapor deposition（CVD）Gems＆Gemology,40（1）:2～25

Wuyi Wang,Thomas Moses,Robert CLinares2003Gem-quality synthetic diamonds grown by a chemical vapor deposition（CVD）methodGems＆Gemolo-gy,39（4）:206～283

Wuyi Wang,Alexandre Tallaire,Matthew SHall2005Experimental CVD synthetic diamonds from LIMHP-CNRS,FranceGems＆Gemology,41（3）:234～244

钻石的培育是一个将小钻石培养长大的过程。

（1）源自钻石种子：在实验室中，利用先进的设备和前沿技术还原自然环境，将砂砾大小或是薄片装的钻石作为种子，置入培养仓内，为钻石的生长提供原子结构模板；

（2）高温高压环境：在培养仓里，温度和压强将迅速升高，大道地底深处过百里公里处的高温高压环境，人工创造天然钻石苛刻的形成条件；

（3）通入含碳养料：石墨（C）或甲烷（CH4）将碳源加入培养仓，在高温高压环境和特殊处理下，原料中的碳原子间的化学键将断裂，成为游离的碳原子；

（4）种子培育大小：游离的碳原子会被附近的碳原子结构吸引，所以他们会逐渐附着在钻石种子上，与钻石种子的碳原子结合，形成新的化学键，从而让种子逐步长大。

培育钻石分类

市面上可以批量生产钻石的方法有两种: Chemical Vapor Deposition 化学气象沉积，简称CVD, 以及High Pressure High Temperature 高温高压，简称HPHT。

CVD化学气象沉淀法

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。

HPHT高温高压法

HPHT有几种不同的机器，原理都是类似的，在机器中心创造出一个高温高压的环境，能把碳原料粉末压成钻石。中间需要金属催化剂，因此很多HPHT钻石都会有金属杂质包含在内。早期只能制作**小颗粒，作为工业磨料使用；随着技术进步，很多国内厂商可以制造出无色大颗粒，金属包含物也越来越少，达到了珠宝等级。国内产能主要集中在切割后裸钻重量1克拉以下。俄罗斯有一家曾经长出一颗切割后10克拉的大钻石，不过这种大颗粒万里挑一，目前不能量产

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。

本文将对培育钻石产业链及相关公司进行介绍。

一、培育钻石是什么？产业链情况如何？

（1）培育钻石是什么？

培育钻石是在实验室里模拟天然钻石的自然形成环境培育而成的合成钻石。不同于天然钻石需要在地球深处经历的数百万甚至数十亿年，合成培育钻石的方法主要有HPHT高压高温法和CVD化学气相沉积法，培育时间约为半个月至一个月。

实验室培育钻石和天然钻石晶体的形成温度所差无几，两者在化学成分、物理性质完全一致，从肉眼上看无法对两者进行区分。

目前，培育钻石也凭借着较高的性价比成为了钻石消费领域的新兴选择，广泛用于制作钻戒、项链、耳饰等各类钻石饰品及其他 时尚 消费品。

（2）产业链情况：上、下游毛利率最高，中国为培育钻石主要产地之一

由产业链的角度来看，培育钻石产业链上游涵盖生产设备及金属触媒等原材料供应，以及培育钻石毛坯的生产等环节，获利能力上，上游毛钻生产毛利率高达60%。其中，产业链，上游的HPHT法培育钻石产能大多数在中国，而CVD法则主要分布于美国、欧洲、中东、印度、新加坡等地。2020年，全球培育钻石毛坯的产量大约为600-700万克拉， 近50%的培育钻石是在中国用HPHT法生产而成的，其中，黄河旋风、中南钻石、豫金刚石居于前三位。

同时，培育钻石的生产对企业的研发实力、工艺水平和质量控制提出了较高的要求，因此只有在人造金刚石领域具有规模优势的龙头企业才具有资金及规模优势进入培育钻石领域的研发及生产，上游生产企业具备一定壁垒。

培育钻石的中游，主要对钻石毛坯进行贸易、加工和设计镶嵌，中游加工的毛利率约在10%以下。目前印度是全球培育钻石的切磨中心，2015-2020年印度进口全球80%以上的毛坯钻石，其切磨加工集中在苏拉特等地，形成了高度集中的加工产业集群。而中国钻石切磨：工厂分散在广东、广西、河南、湖南等地，在切磨加工后的成品钻石销往世界各地。

培育钻石的下游则行进行钻石的终端零售、营销推广，毛利率同样也达60%。目前美国是全球培育钻石市场发展最成熟的市场。从消费结构来看，全球培育钻石消费市场中，美国和中国分别约占全球的80%、10%。从零售品牌数量来看，美国拥有25个培育钻石品牌，中国拥有19个，欧洲有9个。

二、为何看好该行业？

1、培育钻石与天然钻石的物理性质不存在明显差异，但零售价格约为天然钻石的45%，性价比优势显著，在天然钻石供给增长缓慢的背景下，培育钻石有望替代部分天然钻的需求。

随着人造金刚石合成工艺的不断提高，颜色、重量和纯净度达到一定标准的宝石级金刚石大单晶可作为培育钻石用于消费领域。

对比来看，培育钻石和天然钻石在晶体结构完整性、透明度、折射率、色散等方面与天然钻石无明显差异，但零售价格却远低于天然钻石，2019年培育钻石零售价格约为天然钻石的45%，而用培育钻石做成的饰品的销售价格约为同等级天然钻石饰品销售价格的30%-50%，这大幅降低了消费者的购买门槛。

同时，近年来毛坯天然钻石产量呈现不断下降趋势，而根据贝恩发布的《2020-2021钻石行业报告》，全球毛坯钻石产量在未来10年增长缓慢，甚至出现下滑，预计悲观情况下，全球毛坯天然钻石产量平均每年’下降1%-2%，但全球钻石消费需求却不断增加，供需失衡趋势为培育钻石发展带来了机遇，培育钻石有;望凭借较高的性价比替代部分天然钻石的需求。

2、全球珠宝巨头纷纷入局培育钻业务，有望培养消费者习惯和认知，行业渗透率有望快速提升。

培育钻石作为珠宝行业新兴赛道，珠宝钻石品牌商积极入局，培养消费者习惯。2016年施华洛世奇创建了培育钻石品牌Diama， 2018年5月全球最大钻石生产商戴比尔斯宣布推出培育钻石饰品品牌Lightbox。另外，2021年5月，全球最大珠宝商之一丹麦潘多拉宣布，将停止使用开采的钻石来制作珠宝，今后将只使用实验室生产的钻石。

与此同时，国内珠宝商也积极布局培育钻石行业。2021年8月12日，拥有“老庙黄金”、“亚一金店”等国内一线珠宝品牌的豫园珠宝推出自有培育钻石牌品牌“露璨（LUSANT）"，于线上天猫旗舰店开启试运营，这是国内头部大牌珠宝商推出的首个培育钻石品牌。

目前，培育钻行业渗透率约6%，国内外珠宝巨头纷纷推出培育钻品牌，有望培养消费者习惯和认知，从而带动培育钻行业渗透率快速提升。

3、行业标准逐步建立，为培育钻石价值流通提供依据。

行业是否规范是决定行业能否蓬勃发展的重要因素之一，因为任何能够做大做强的行业都需要有一个统一的标准来确定商品的价值，使其可以快速流通。

目前，培育钻石行业标准的正在加速制定，为培育钻石价值流通提供依据，推进培育钻石行业的规范化发展。

例如，2020年10月，GIA （美国宝石学院）公告称正式启用新版培育钻石检测报告；近期，国家珠宝玉石质量监督检验中心（NGTC）更新了《合成钻石鉴定与品质评价》，并且，目前NGTC已经可以出具实验室培育钻石镶嵌首饰证书，据称后续还将推出实验室培育钻石裸钻分级证书。

综合来看，2020年全球培育钻石饰品市场规模约680亿元，疫情之下培育钻石产量仍然同比增长167%，增速明显高于天然钻石，预计到2025年全球培育钻石饰品市场规模1400亿元，复合增速高达155%。

三、相关个股

黄河旋风600172 ：国内最大金刚石生产企业之一，2021年重新聚焦超硬材料主业公司是目前国内规模领先、品种最齐全、产业链最完整的超硬材料供应商。公司生产的超硬材料主要产品为各类规格的金刚石（如工业级金刚石、宝石级金刚石）、金属粉末、超硬复合材料（复合片）、超硬刀具、金刚石线锯等。

2020年公司的培育钻石销量占全球培育钻石销售市场的20%左右，其中高端品质占50%以上。公司于2015年实现了“宝石级金刚石系列产品开发与产业化”项目的产业化和市场化批量生产，目前公司3-5克拉首饰用培育钻石在国内外拥有稳定的市场。

2020年公司业绩亏损主要受此前收购名匠智能业务拖累，公司已出售名匠智能全部股权，2021年重新聚焦超硬材料主业，第一季度公司营收达631亿元，同比增长56%，同时利润端扭亏为盈，归母净利润达1029万元。

中兵红箭000519 ：子公司中南钻石为国内最大培育钻石生产商之一

中兵红箭主要业务包括特种装备业务板块、超硬材料业务板块、专用车及 汽车 零部件业务板块三大业务板块，其中全资子公司中南钻石主要负责超硬材料业务板块，为国内最大培育钻石生产商之一。2020年中南钻石实现收入1921亿元，收入占比达2972%，实现净利润41亿元。

中南钻石主要以HPHT技术生产培育钻石，产品以2-10克拉为主，公司已掌握了“20-50克拉培育金刚石单晶”合成技术，20-30克拉培育钻石可批量化稳定生产，同时公司也掌握了厘米级高温高压法CVD晶种制备技术，CVD培育钻石产品制备技术达到了国际主流水平，2019年公司投入年产12万克拉高温高压法宝石级培育金刚石生产线建设项目，预计2022年10月达产。

培育钻石概念相关个股培育钻石的性价比优势+各种珠宝钻石品牌均培育消费，培育钻石或将替代部分天然钻石的份额，行业有望迎来爆发，潜在市场规模有望达千亿级别，我们梳理了一份培育钻石概念相关个股。

国机精工002046： 2020年超硬材料及制品收入占比为2039%。截止20年底，新型高功率MPCVD法大单晶金刚石项目工程进度为5987%，该项目主要培育消费类和工业类生产商人造钻石。

ST金刚300064 ：2020年超硬材料收入占比为8882%。公司致力于培育钻石消费理念的传播、培育钻石文化推广、品牌销售体系搭建等，2014年实现大单晶技术突破，成为国内首家实现大单晶规模化量产的企业。

沃尔德688028 ：2020年超硬复合材料收入占比为899%功能性CVD金刚石材料和器件、装饰用CVD钻石（培育钻石）等高端超硬工具和超硬材料产品实现规模化生产和销售。

四方达300179： 公司是国内规模优势明显的复合超硬材料企业，产品包括石油/天然气钻探用聚品金刚石复合片、煤田及矿山，用金刚石复合片等。

零售商：

豫园股份600655： 2020年珠宝 时尚 收入占比为5032%。公司推出培育钻石品牌“露璨（LUSANT）”，是国内头部大牌珠宝商推出的首个培育钻石品牌。

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。