出境检测

1

热烈庆祝

热烈庆祝

2021年年会

WFDB

把人民群众生命安全和身体健康放在第一位 把疫情防控工作作为当前最重要的工作来抓

「揭秘」实验室里“种”钻石?

发布时间:2020-05-21

        2019年2月,HRD安特卫普实验室鉴定了首枚直接由培育钻石切割而成的戒指“Project D”,其生产商为著名的培育钻石公司 Dutch Diamond Technologies。这枚戒指有133个刻面,重3.865克拉,切磨自155ct的化学气相沉积法(CVD)制成的培育钻石板晶(plate)[1]
 \
HRD鉴定首枚全CVD钻石戒指
(图源HRD Antwerp)
 
        在上一篇科普文中,我们给大家介绍了高温高压(HPHT)培育钻石技术(「揭秘」高温高压技术怎么长钻石--跳转链接),行业里还有另一种最常用的培育钻石技术——化学气相沉积法(CVD)?CVD生产技术到底是怎样的?发展到什么水平了?中国能生产CVD钻石吗?我们今天就来一探究竟。
 \
毛坯钻石(图源GIA)
左:CVD培育钻石,中:HPHT培育钻石,右:天然钻石
 
化学气相沉积法(CVD)怎么长钻石?

        化学气相沉积法,英文名称为Chemical Vapor Deposition,简称CVD法,是指将含碳元素的混合气体置于一定条件下,气体中的碳原子按金刚石的结构在预先放置在生长舱中的种晶上沉淀,不断长大后形成的等轴晶系晶质体,简称为CVD培育钻石[2]
        通俗点来讲,CVD法培育钻石就像种粮食,需要“种子”与“养料”,一颗小小的天然钻石就是“种子”。整个过程首先要有一个天然或培育钻石的籽晶片,还需要用到气体原料(主要是氢气H2和甲烷CH4),在低压高温(压力小于1Pa,温度800~1000℃)的环境中,甲烷在高能微波或放电等方式的激发下,分裂出一个个碳的等离子体,这些等离子体就像灰尘一样,在空气中一点一点沉积到“种子钻石”上,籽晶片就会慢慢地“一层一层”越长越大。
 \
CVD钻石培育过程示意图
(图源[3])
 
 \
用于生产CVD金刚石微波等离子体反应器
(图源同上)
 
        最后生长出来的CVD钻石通常呈板晶状,周围包裹着一圈黑色石墨。
 
 \
CVD培育钻石
(图源[4])
 \
CVD培育钻石
(图源SCIO Diamond)
 
CVD培育钻石历史

        CVD培育钻石历史最早可以追溯到1952年美国联邦碳化硅公司的William Eversole在低压条件下用含碳气体成功地生长出培育钻石。但当时CVD法生长钻石的速度很慢,以至很少有人相信其生长速度能提升到可供商业应用。
        1956年苏联科学家通过研究,显著提高了CVD培育钻石的速度,当时是在非钻石的基片上生长培育钻石薄膜。
        20世纪80年代初,这项培育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)宣布,培育钻石的生长速度已超过每小时1微米(0.001mm)
        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培育钻石的研究,并迅速在这个领域取得领先地位,提供了许多CVD多晶质金刚石工业产品。
 

        尽管当时CVD培育钻石的生长速度有了很大提高,但是若以每小时0.001mm速度计算,要生长用于首饰切磨的大单晶毛坯培育钻石至少需要18周。可见,CVD法的技术关键在于提高生长速度。
 
进入20世纪90年代,CVD培育单晶钻石的研发取得显著进展。

        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0.5mm的CVD单晶体。
        1993年美国Crystallume公司用微波CVD法生长出了相似厚度的单晶培育钻石;同年,Badzian等生长出了厚度为1.2mm的单晶培育钻石。DTC和Element Six公司生产出了大量用于研究目的的单晶培育钻石。
 
进入21世纪,宝石级CVD单晶培育钻石的研发有了突破性进展:

        美国Apollo Diamond公司( 即现在的SCIO diamond)多年从事CVD单晶培育钻石的研发。2003年秋开始了首饰用CVD单晶培育钻石的商业性生产,2007年成功培育出第一批无色宝石级CVD钻石。[5]
 \
无色宝石级CVD钻石
(图源SCIO diamond)
 
        2017年3月德国奥格斯堡大学技术团队研究耗时26年,用“异质外延生长技术”成功培育出155克拉CVD单晶培育钻石,直径92mm,厚度1.6mm。
 \
德国奥格斯堡大学155克拉CVD单晶培育钻石
(图源Everipedia)
 
 
目前国外主要掌握CVD培育技术并实现量产的公司:
SCIO diamond:CVD先驱公司之一;

        Diamond Foundry:2012年在旧金山成立,在2015年开发出了CVD技术,2019年年产量已超过100,000克拉;
 \
Diamond Foundry 2015年首批生产的培育钻石,颜色呈“白兰地”褐色
(图源Diamond Foundry)
 
        WD Diamonds:总部设在华盛顿,凭借卡内基研究所的技术在2012年开始量产CVD钻石,2018年成功产出当时最大的6克拉无色CVD成品圆钻;
 \
WD Diamonds 6克拉无色CVD成品圆钻
(图源National Jeweller)
 
Ⅱa Technologies:新加波公司,由印度Mehta家族管理;
 \
Ⅱa Technologies生产的CVD毛坯培育钻石
(图源Ⅱa Technologies)
 \
Wonder Technologies:俄罗斯公司,生产的大都为D-F色级的培育钻石产品。
 
 
中国CVD钻石技术?

        中国的CVD技术起步较晚。2019年10月29日,中央电视台财经频道《天下财经》报道,中科院宁波材料所实验室仅仅用一周时间就可以“种”出1克拉大小的毛坯培育钻石,生长速度达到每小时0.007毫米,引起大众关注讨论。
 \
2019年10月29日CCTV-2财经频道《天下财经》报道
 
        2020年3月9日,IGI国际宝石学院鉴定了一颗7.06克拉的CVD培育钻石,这颗钻石的诞生也标志着高品质、大克拉CVD培育钻石技术的日益成熟
 \
IGI鉴定的CVD培育钻石
7.06克拉、F色、VVS2净度、3EX切工、无荧光
(图源IGI)
 
        这颗钻石来自中国培育钻石生厂商-杭州超然金刚石有限公司,据介绍,其毛坯重量达到28克拉,是目前全世界难得一见的大颗粒高品质CVD培育钻石。由此可见,虽然中国CVD技术起步晚,但是发展非常快,现在已经具备世界先进水平。
 

        我国CVD培育钻石企业产量规模世界占比虽然不大,但是目前已具备生产大颗粒高净度CVD培育钻石的技术能力,有一定规模的公司如宁波晶钻工业科技有限公司、上海征世科技有限公司、台钻科技(郑州)有限公司、河北普莱斯曼金刚石科技有限公司、西安碳星有限公司等。
 

        最后,我们通过一个视频来回顾一下钻石到底是如何生长出来的,温故而知新,看看高温高压法(HPHT)化学气相沉积法(CVD)到底有什么不同。
 
 

如何批量制造钻石
(视频来源:微博@回形针PaperClip)

[1]https://www.rough-polished.com/en/news/113036.html
[2]张健,柯捷,陆太进,杨立信,宋中华. 《合成钻石鉴定与分级》团体标准研制思考[A]. 中国国际珠宝首饰学术交流会论文集[C],2019: 33-37.
[3]https://brisbanediamondcompany.com.au/cvd-diamonds/
[4]吴旭旭,陆太进,张健,宋中华,唐诗,陈华,柯捷,刘厚祥,何明跃. 宁波晶钻公司 CVD合成钻石的宝石学特征及其与国外Ⅱa公司的对比研究[J]. 宝石和宝石学杂志(中英文),2019,21(6): 15-23.
[5] 沈才卿. 话说化学气相沉淀法(也称CVD法)合成钻石[J]. 超硬材料工程,2012,24(6): 52-55.
 

关注我们

132