高温高压种晶触媒法合成钻石

一、钻石合成方法的进展历史早在1820术的进展，才使钻石的合成得以实现。1953年瑞士工程公司〔ASEA〕使用压力球装置首次成功地合成出了40粒小颗的钻石，美国通用电气公司〔GE〕也于1955年承受压带装置合成出了小颗粒工业级钻石的合成技术得到广泛应用，目前几乎三分之二的工业用钻已由合成钻石替代了。但直到1970年宝石级大颗粒的钻石才由美国通用电气公司合成成功。经过近三十年的努力，目前已能获得十几克拉大的晶体，但宝石级钻石合成的本钱仍旧很高，虽有初步的商业化，仍不能进展大批量的生产。2023年合成的可切磨的钻石只有3500ct，仅占当年自然宝石0.01%。的方法。这种方法是在钻石的亚稳定区，用加热、放电等方法激活碳基气体〔如甲烷〕，使之离解出碳原子和氢原子〔或甲基CH3

和氢原子〕，碳原子在甲基和氢原子的作用下在固相基片如籽晶上沉积形成金刚石单晶薄膜或多晶质薄膜。目前生长速度只能到达每周0.02mm，可获得的金刚石薄膜厚度太小〔几十至几百微米〕，还远不能用来合成宝石级钻石，这种技术有时被用于钻石及其它材料的外表镀层，在珠宝首饰业应用还格外有限。二、合成钻石的原理与合成方法1．合成钻石的原理8-1钻石-石墨相图钻石和石墨是碳的两种同质多像的变体。依据钻石-石墨的相平衡图可知，在常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，而钻石是一种亚稳定状态。钻石只有在高温高压下才是最稳定的，中的C-C〔相图中钻石稳定区的条件〕下，石墨的中的碳原子会重按钻石的构造排列，而形成钻石。2．合成方法〔即在亚稳定区内生长钻石的方法。合成工业用钻石主要承受静压法中的静压触媒法，通过液压机产生〔4500-9000〕X109Pa的压力，以电流加热到1000-20230C的高温，利用金属触媒实现石墨向钻石的转化。条件，提高转化率。同时，金属触媒可以作为碳的溶剂。在适当的温度压力条件下，石墨和钻石都可以溶于触媒中，并且，石墨的溶解度大于钻石，当压力上升时，二者的差异也增大。因此，工业钻砂高得多。下面介绍宝石级钻石的合成方法原料：通常选用自然或合成的钻石粉，石墨及石墨与钻石的混合物作为碳源。金属触媒：一般用的是铁镍合金。目前，合成宝石级钻石主要承受压带装置和分裂球装置。图8-2 压带装置压带〔Belt〕装置：这种装置是美国通用电气公司制造的。通常承受两面顶压机加压，2个钻石籽晶分别放在25.5X109—6X109Pa,温度为16500C。圆筒中间温度较高〔16500C〕，两端较低〔15500C〕。碳在中间溶解于金属触媒中，160分裂球〔BARS〕装置：1990年由俄罗斯人制造的，由于独联体的解体，很多技术员把这项技术带到世界各地。目前市场上的宝石级合成钻石根本都是这种方法合成的。图8-3 分裂球装置图8-4 反响舱内部构造〔压带装置和分裂球装置中的反响舱一样〕该装置由288个球截体合拢，从而对构成八面体外形的6个活塞产生压力。中间是一个小的生长仓，一次只能长1个晶体。生长舱内构造如下图。合成温度和压力条件根本同压带装置的条件。1克拉的晶体需要长3天。合成钻石大局部为黄-褐色，白色的很少。3．合成钻石的晶形、颜色及类型的掌握合成钻石晶体形态主要为立方体与八面体的聚形。合成时的温度对形态有肯定的影响。温度较低〔13000C〕时，以立方体为主，温度较高〔16000C〕时以八面体为主〔图8-5〕。合成钻石的颜色和类型也可以掌握。由于生长舱内布满了空气，空气中含有氮，所以大多数合成钻石都是含孤氮的Ib型钻石。这种钻石多为黄到褐色。假设在反响舱内放一些氮的吸取剂，如锆或铝，则可以获得无色的不含氮的Ⅱa型钻石。假设同时再参加一些硼，则可合成出含硼的蓝色Ⅱb合成的钻石还可以通过辐照处理把它们变成彩色钻石。图8-5 合成钻石晶形与生长温度的关系三、宝石级合成钻石的鉴定结晶习性：合成钻石常常为立方体、八面体，及二者的聚形，而自然钻石最常见的形态是八面体、菱形十二面体或二者的聚形或三角薄片双晶。图8-6 立方体与八面体的聚形的合成钻石晶体图8-7 合成钻石可显示漏砂状、交切状纹理颜色：大多颜色为黄褐色，并常常经辐照改色成蓝、橙色、粉色、褐色、金黄色。8-8自然钻石外表有时可见三角凹痕晶体外表及内部纹理：合成钻石可显示树枝状、漏砂状或交切状纹理〔图8-7〕，接种面上粗糙不平。自然钻石外表有时可见三角凹痕，内部可显示与构造有关的纹理。放大：籽晶、籽晶幻影区、各种形态的金属包裹体〔针状、片状、针点状等尤其围绕种晶四周〕。金属包体很难避开。图8-9 金属熔剂剩余包裹体吸取光谱：合成钻石无特征的415.5nm吸取线，在液氮低温下还可测得658nm吸取峰，500nm以下全吸取。大多数自然钻石显示415.5nm的特征吸取线。钻石贸易公司〔DTC〕推出的钻石光谱鉴定〔DIAMONDSURE〕就是通过检测415.5nm的特征吸取线是否存在来帮助区分自然与合成钻石。图8-10 钻石光谱鉴定仪〔DIAMONDSURE〕紫外荧光：图8-11 钻石构造荧光鉴定仪〔DIAMONDVIEW〕分带”现象，如下图。自然钻石则显示年轮状荧光分布。钻石构造荧光鉴定仪〔DIAMONDVIEW〕就是有DTC下有明显的磷光，自然钻石无磷光。阴极发光：与紫外下荧光分带特征相像，不同的生长区显示不同颜色的荧光分带。红外光谱：IB

型钻