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。

人造钻石是一种由直径10到30纳米的钻石结晶聚合而成的多结晶钻石，早期的人造钻石由于空气中的氮原子进进钻石晶体而呈淡淡的糖稀颜色，经过科学家的改良制作方法，生产的人造钻石在外观上和自然钻石没有任何差异。

由于天生环境的不同，人造钻石的的分子结构并不是自然钻石的完全八面体结构而是一种复杂结构，从而会产生磷光现象。随着人造钻石生产技术的成熟，其造价低廉，且可以制作出各种颜色的钻石而在珠宝市场上崭露头角。固然出自实验室或工厂的人工合成钻石已有几十年的历史，但是具备宝石质量的人造钻石是近年才出现的。本来人造钻石主要用于制造切割工具等产业用途上，但现在同样也被使用在珠宝首饰上。

公平交易的法则要求人造钻石商在销售时如实说明其质量实况，并用一般接受的词汇来描述，如“人工合成”、“人造”或“实验室制造”。几乎所有的人造钻石都属于Ib型，而此类型在自然钻石中只占不足百分之二。有一种不很昂贵的设备能验证Ib型的钻石，但要确定一颗钻石是否是人工合成的，则依靠于合资格的宝石实验室的检测。

真正的人工钻石是CVD钻石，绝非市面上那些锆石莫桑石等假钻可以比较的，和天然钻石是完全没有区别的，非大型机构专业仪器是无法分辨的，其他的锆石莫桑石等仿钻是不可能得到钻石检测机构认可钻石身份的，假钻去检测机构出具证书只能出本身的化学成分检测报告，比如锆石就是立方氧化锆，莫桑石就是碳化硅，跟钻石一毛钱关系都没有，专业人士通过肉眼和简单的检测仪器就可以很轻易的分辨出来，但是CVD钻石是得到国际机构IGI和GIA钻石身份的认可并且可以出具钻石证书，最大的差别就是价格，目前CVD培育钻石的价格是天然钻石的五分之一左右

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

CVD（Chemical Vapor Deposition化学气相沉淀）钻石的影响

1 颠覆对钻石价值观

过去号称要百万年才能结晶的昂贵钻石，可以在实验室中不到一周就制造完成，颠覆了一般人对钻石的价值观感。

2 提升钻石在各领域应用

以往钻石因价格高昂，多半用作珠宝饰品。一旦可便宜制出高质量的钻石，其应用价值，会迅速普及到各个领域。

专家预言廿一世纪最重要的发明将是会长大的钻石。有朝一日，价廉物美的钻石会取代硅在半导体的角色，使人类科技进入另一世界。

钻石大量生产后，可更平价，且发展有更多元的功能。钻石硬度高，具优异导热及切割、研磨特性，可在医疗上及电子组件上有很好之应用。 合成钻石：HPHT合成钻石大多为Ⅰb型；CVD合成钻石都是Ⅱ型的。主要用于区分改色钻石。但就从科技发展本身的规律来看，所有的仪器并不可能成为终极武器。文献资料显示，还有更多的大型仪器和研究方法用于检测合成钻石及优化处理方法，例如，液氮冷却技术用于可见光吸收检测、红外光谱检测、光致发光光谱、激光拉曼光谱、阴极发光等等。

合成钻石也可经过辐照和高温高压处理获得各种艳丽的颜色。按行规，人造钻石需要在钻石的腰部注明“人造”字样，或是英文，或是中文，而这批100多粒的人造钻石并没有亮明身份，供货商也未附带任何产品说明，目前国内外均有人工钻石的加工基地，加工地点相当隐蔽。钻石难辨真假，市场上售卖的钻石往往带有专业机构出具的鉴定证书。用老方法检测易被“忽悠”，所以业内专家提醒消费者，人造钻石价格便宜近两成，且不具保值潜力，购买钻石时应看清楚第三方检测证书。 高压高温造人造钻石

目前，在实验室有两种制造人造钻石的途径。

一种是化学气体相沉积法，英文简称叫做CVD，由位于美国的CVD钻石公司研制。

这种方法较灵巧，是一种在高压器里制造钻石。具体是在一个如洗碗机大小的高压器里，用化学气体相沉积的方法来加热天然气和氢气，接着便会产生一种碳化电浆，电浆随后会像雨点一样撒落在高压器底部的碳化基片层上。电浆越积越多，而且慢慢变硬，最后形成像钻石一样的晶体，纯且清亮。

另一种制造人造钻石的方法是由位于佛罗里达州的盖迈希公司研制的“残酷”办法。

在数十年的实验之后，科学家终于可以“种”出可媲美最珍贵的戴比尔斯钻石的人造钻石。

完美的大于2克拉的单晶钻石很快就可以被“种”出来。从去年开始，科学家们已经成功掌握了造出10克拉单晶钻石的方法，最厉害的是，这种钻石在颜色和纯净度上甚至超过了真的矿产钻石。在10年内，人造钻石将会变得越来越便宜。2011年，第一颗钻石半导体将会面市。

一、合成方法不同

1、CVD钻石：微波等离子体化学气相沉积法；温度和压力还是制造晶体的两项关键因素，其方法是在陶瓷容器中而不是在地下制造钻石，水压提供高压，电力产生高温，使碳围绕着直径为1毫米，由自然钻石制成的籽晶而形成晶体。

2、HTHP钻石：将天然钻石经高温、高压处理，以提升钻石的颜色等级。通常来说，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，必须要是J色以上，且不含杂质、高净度的IIa型钻石。

二、特点不同

1、CVD钻石：内含物具有不同形态合金包裹体；颜色 尽大多数合成钻石呈**、渴**（大多数）具沙漏状色带；而自然钻石为无色、浅黄及其它颜色。

2、HTHP钻石：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；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。

扩展资料：

CVD钻石微波等离子体化学气相沉积法介绍：

1、在基座上放置钻石衬底（种晶），并将空腔内的压强降到01个大气压；

2、在空腔内注入甲烷气体和氢气，并用微波束加热形成等离子体；

3、碳原子在钻石衬底上沉积；

4、种晶像微小的钻石砖块一样生长（长成方形，Elpha注），一天能生长05个毫米；

5、打开空腔，取出钻石砖块，切成薄片作为半导体或者切割抛光成宝石级钻石。

-HTHP钻石

-CVD钻石

之前我也有过疑惑，后来多方面了解后，我个人觉得值得。原因有以下几点：

1 传统矿钻也就是天然钻石，之前因为被 垄 断市场，所以价格 很 高，这个世纪规模的营 销其实已经破灭，只是传统厂商为了 高 利润一直不愿承认，但是随着市场的需求增 加，连传统钻石行业的戴比尔斯（就是那个 钻石 恒 久远 的那个），自己也创建了培育钻石（人造钻石）的团队，这个网上有据可循的，还发过通告，从此，人造钻石的地位被承认，认可，是真的钻石

2 等级评价 拥有和天然钻石一样的等级标准，净度，颜色，重量，切工，并且也有国际标准的证书IGI，之前婚博会上的DiamondFoundry就符合标准，也是目前这个行业的领头羊

3 性价比 在同等的等级的情况下， 培育钻石的价格相对于传统天然钻来说，优惠很多，也更加让人接受

所 以，我个人才觉得人造钻石其实是值得购买的，毕竟是生活用，又不是炫富，说白了，它就是碳原子（玩笑话）