化学气相沉淀法合成宝石

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。

引言：人类在与自然界接触的漫长过程中获得了很多的规律和道理，例如没有一种物质能够完胜任何物质，即使世界上最坚硬的物质在铁锤面前也会显得不堪一击，这句话说的正是钻石。

为了研究物质的硬度，德国矿物学家费德勒·莫斯在19世纪初提出了莫氏硬度这一概念，之后的科学家就按照这个概念对已存在的和陆续发现的物质进行硬度定性。在已定义的物质中，有一种物质的莫氏硬度达到了10级，它就是自然界最坚硬的天然物质——金刚石。可能很多人对金刚石这个名字不熟悉，但如果说它还有一个名字叫“钻石”的话，相信大家都听过这种物质。

金刚石极其坚硬的特性被人类利用来生产各种耐磨工具，而钻石在人类配饰领域也独占鳌头，因为人们认为它无比坚硬的特性象征着爱情的“坚贞”。那么为什么钻石会如此坚硬呢？这与它自身的形成结构有关。化学家最早在研究钻石的时候发现了这种物质的主要组成元素是碳，而它内部的结构是以碳原子为核心的晶体结构，一个碳原子的周围还连接着4个碳原子，它们之间所形成的的共价键为这种物质创造了不可思议的坚硬性。

那么问题来了，最坚硬的天然物质能够承受住铁锤的重击吗？很多网友表示并没有人会愿意为了得到这个问题的答案而用铁锤砸钻石，而且他们相信钻石要比铁坚硬多了。确实如此，除了土豪和专业研究团队之外一般人都不会进行这样的实验，但也正是很少人了解这样的实验导致大多数人的认知偏差，实际上钻石是可以被铁锤砸碎的，而且并不需要耗费巨大的力气。

如果你忍心的话，那么只需要一锤子下去，一颗钻石立刻就会粉碎。钻石不是最坚硬的物质吗，为什么铁锤能够轻易将其击碎呢？这个问题的答案同样与人类的认知偏差有关，长期以来我们都认为硬度高的物质一定是难以击溃的，实际上我们忽略了另一个因素，那就是韧度。在物理学上，韧度被用来衡量物体的抗破裂能力，这也是物质能够承受重击的一个参考因素。

钻石的硬度固然高，但是它的韧度十分低，换而言之就是它十分“脆”。当钻石受到外界强大的冲击力时，这股冲击力导致钻石内部结构产生一个开裂的通道，从而导致更多开裂通道的产生，最终导致钻石被击碎的现象。日本一家材料公司曾经做过这样的实验：他们将一颗人工钻石放在一块钢板下，然后让压路车从钢板上开过去，结果发现钻石只出现了一点磨损，并没有碎裂。

但如果是让压路车以更高的速度压过钢板的话，那么钻石破碎的可能性就更大了，这其中涉及到动量等问题。因此我们可以从钻石身上得到一些启发，一个物体在具有某种卓越特性的同时它也会有不堪一击的一面，这就要求我们在看待问题分析现象的时候尽可能从更多的角度去思考。

可以。

最初，科学家正是发现钻石可以燃烧，从而揭开钻石的化学元素组成奥秘。

早在1722年，法国化学家拉瓦锡进行了燃烧金刚石的实验。他将金刚石放置在玻璃罩里，用放大镜把日光聚集使金刚石燃烧，得到无色气体。通过验证发现这种气体是CO2，从而证明金刚石（就是钻石）是由碳元素组成的。

CVD（Chemical Vapor Deposition化学气相沉淀法）钻石是以一块钻石晶片为母石，在反应炉中通电的方式，让甲烷中的碳分子不断累积到钻石晶片上，经过一层层累积，可形成纯碳原子组成的钻石原石。为使CVD的钻石“生长”顺利，碳源常用已具钻石结构的甲烷。这种“长大”的钻石，成分与矿钻并无二致，是纯净的碳原子，是100%的真钻，其价格仅为矿钻的一半到1/3。

关于这个，很少有记载。今天早上（碰巧）在书上看到的只是说“首先通过实验证实钻石是由纯碳组成的，是一位英国的化学家，时间是1796年，为此，这位科学家几乎变卖了他的全部家产。”并没有说这位科学家的名字，但可以根据以上一些信息上网查查的。

骨灰是可以制作钻石的。将骨灰制作成钻石的原理就是利用骨灰中的碳元素将其改变分子结构放到特定的机器中制作成钻石。价位大约在10万~80万之间不等。

1，骨灰制作钻石的由来

随着墓地资源的匮乏，墓地也越来越贵。所以就出现了很多新的安葬方法。比如说，钻石葬，气球葬，太空葬等。而钻石葬就是把亲人的骨灰制成钻石带在身边或者是供奉起来。虽然说钻石恒永久一颗永流传。但是将亲人的骨灰改变结构形态，制成钻石多多少少有些违背逝者为大这种中国传统思想。

2，骨灰制作钻石的原理。

钻石的基本成分是碳。所以用骨灰制作钻石就是将骨灰中的碳元素提取出来。同时将其他成分炼化掉。提取出来的纯碳被盐城细小粉末准备送往金刚石生长区。在纯碳中置入“钻石生长细胞”。生长细胞含钻石种子，为碳分子的生长提供基础。将含有生长细胞的纯碳放入机器中，模拟天然钻石生长环境。用精密仪器检测出所需要进行切割的部分。钻石需要从它的生长细胞中切割出来，切割成所制定的规格和形状。最后进行抛光打磨，一颗骨灰钻石就诞生了。

3，关于骨灰钻石的造价

由于骨灰钻石是单独制造的，在制造过程中，所需要的仪器都比较精密所要求的条件也是比较苛刻的。并且一台机器一次只能生产一颗钻石。对于原料来说，人体仅含18%的碳元素，火化后的骨骼只有2%的碳可以被提取用于炼制钻石。所以骨灰钻石要比天然钻石和实验室生产的钻石更贵。市面上骨灰制成钻石的机构很多，价位也参差不齐但是一般在10万~80万不等。

1、看火彩

普通人最简单易学地鉴别钻石真假的方法就是肉眼观察法。肉眼观察即主要观察钻石的“火彩”，也就是钻石能反射出五光十色的彩光，基本义蓝光为主。越是切割完美的钻石，“火彩”越是耀眼夺目。而高折射率的仿制品发散出的光彩会显得生硬呆板。

2、硬度检验

钻石是已知最硬的自然生成物质，没有什么东西可在钻石上划上痕迹，若能划上痕迹的则绝非钻石。

3、导热性试验

在待辩钻石和其它相似物品上同时呼一口气，若是钻石则其表面凝聚的水雾应比其它物品上的水雾蒸发得快，这是因为钻石具有高导热性的原因。

4、观察反射光

用放大镜可观察到钻石的腰围处呈现一种很细的磨砂状并有亮晶晶的反射光。钻石的这种特征是独一无二的。

5、看生长点

在放大镜下观察，真品钻石的晶面上常有沟纹和三角形生长点，而赝品有三类：①加了氧化铝的普通玻璃，因折射率和色散提高， 容易误入，但硬度低。②用化学合成的蓝宝石和无色尖晶石仿制，硬度接近，但折射率低并有双折射现象，在放大镜下可见重影。

扩展资料：

钻石的特征：

1、钻石的化学性质

钻石在高温下会燃烧生成二氧化碳。

实验证明钻石在大气中的燃烧度为850°—1000°，在纯氧的燃烧温度为720°-800°。燃烧时，钻石发出蓝色的光，表面出现雾状膜，在缺氧的状态下加热到2000°—3000°时，钻石会变成石墨。

钻石面对所有的酸都是稳定的，不溶于盐酸、硫酸、硝酸和王水。钻石受强碱、强氧化剂长时间作用会发生轻微腐蚀。

2、钻石硬度

钻石的摩氏硬度为10，比摩氏硬度为9的刚玉的绝对硬度强100倍，比摩氏硬度为7的水晶强1000倍。

钻石的高硬度保证了钻石的耐久性，钻石的耐久性是以钻石的抗磨损能力来衡量。相对韧性而言，在外力打击下容易破碎的性质称为脆性。

3、钻石的颜色

纯净的钻石是透明无色的，但是如果含有其他的杂质或者有结构的缺陷，钻石便会呈现各种颜色。比如钻石中若含有微量铬元素，就会成呈现天蓝色；含铝或氮元素会呈现**，极少量的钻石会变成红色、蓝色、绿色、紫色的。

4、钻石折射率

钻石折射率表示光在质中传播的时候，介质对光的一种折射性。钻石的折射率为2417，是折射率最高的透明矿物。折射率越高，表明光线在该介质中传播速度越慢，受到的阻力越大，因此反射光的能力就越强。

钻石抛面光之所以呈现灿烂光泽，主要原因就是钻石具有高折射率和强色散特性，因此产生了五彩斑斓的光学效应。

5、钻石的光泽

宝石对光线的反射能力就是宝石的光泽，折射率越高，光泽越强。在矿物学中，按折射率由高到低把宝石光泽分为4级，即金刚光泽、金属光泽、半金属光泽、玻璃光泽。

有的钻石还有荧光，荧光是介质在不可见光照射下能发出可见光的性质。在紫外线下都有显示，发出蓝、绿、黄、红等颜色。

参考资料来源：-钻石鉴定