七夕,如何在实验室打造一颗钻石?

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七夕,又是一个组团虐狗的日子。一大早,情侣们就开始忙不迭的各种秀恩爱,看着别人的玫瑰、红酒和钻石,有没有点心动?是不是恒久远或者永流传说不定,但天然钻石“贵”是一定的。那么,有没有可能在实验室中动手打造一颗钻石,在七夕送给意中人呢?今天钻石王老五Silas带着祖传秘方回来啦~~前排瓜子饮料矿泉水准备好,干货多多。


碳的相图


先卖个关子~若想掌握金刚石的人造方法,首先要了解碳的压力-温度相图。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第1张

碳的压力-温度相图


在我们所处的常温常压下,石墨才是碳的稳定存在相,而在高温和高压下金刚石相更稳定,石墨与金刚石之间存在巨大的能量壁垒。由于天然金刚石的稀有与尺寸质量限制,实际应用受到很大的限制,若要人工合成金刚石,从热力学角度讲,必须制造高温高压(HTHP)的环境,才能实现人工的从非稳定石墨相向稳定金刚石相的转变。或者,在相对低温低压的区间使用化学气相沉积(CVD)法实现亚稳态金刚石相的生成。


高温高压法


众所周知,天然钻石是在高温高压的深层地下环境由石墨等碳单质相变而来,再由火山喷发等形式逐渐搬运到地表。根据自然界中金刚石的形成原理,通过人工产生的高温高压环境,可使石墨转化为金刚石。目前市面上绝大多数人造金刚石都是使用高温高压法制造的。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第2张

你手劲如果像他一样大,你也可以徒手“打造”钻石……


专做粉末的爆炸法


爆炸就是最简单的高温高压法。利用炸药爆炸的冲击波产生的瞬间高温高压作用于石墨上,或干脆使TNT炸药中的碳粉来合成金刚石。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第3张


爆炸法与合成设备相对简单,但只能合成微纳米级别的金刚石粉末,并不能当做宝石,而且后续提纯工艺较为复杂,一般当做金刚石砂轮、聚晶金刚石等的原料用与机械加工、热管理领域。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第4张

由金刚石粉压制而成用于切削或钻探用的聚晶金刚石



商业主流的大压机法


净高压的产生需要大型液压机,利用大质量支撑原理和侧向支撑原理,通过固态传压介质将液压机顶锤的巨大作用力传导至核心的石墨上,从而达到5~10×104个大气压的超高压,并通过电流加热达到一千多度的高温。在这种条件下,石墨中流动的碳原子便逐渐以sp3态键合起来。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第5张

六面顶压机结构图


由于金属催化剂的使用,工业HTHP法制备的金刚石颗粒中往往含有一定杂质与缺陷,而且由于氮元素的掺入通常呈现黄色色调。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第6张


经过产品逐代升级以及腔内温场有限元分析,高温高压制备金刚石已经可以使用温度梯度法生产大颗粒高品质金刚石单晶。即利用不同温度下金刚石的溶解度差异,使金刚石由高温处的高浓度区向低温处的低浓度区扩散并析出结晶的方法,实现金刚石工业磨料级向宝石级的转变。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第7张


目前市场上有商家提供可将逝去亲人或宠物的骨灰或毛发做成钻石的服务,所用也是高温高压法。


化学气相沉积法


相比之下,理论上没有任何杂质掺入的化学气相沉积(CVD)法则可以大大改善以上缺陷。CVD法通过外部馈入能量如热能、电磁能等,在十分之一的大气压和1000 ℃左右的条件下裂解有机烃类气体和氢气,生成主要的两种活性物质超平衡原子氢甲基,通过原子氢的高自由能驱动活性基团在衬底上方发生反应生成固态金刚石。


制备超硬涂层的热丝法(HFCVD)


HFCVD为使用较早、已商用的CVD方法。将难熔金属制成的热丝通以直流电,通过热丝发出的大量焦耳热使之产生2000 ℃左右的高温,从而热分解原料气体产生活性基团在衬底上沉积金刚石。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第8张


由于热分解效率较低,且来自灯丝和电极的金属原子污染较为严重,HFCVD通常只用来制备晶界包含大量sp2相碳杂质的多晶金刚石膜,因此一般呈灰黑色,并不是大家想象的透明无色状(直流等离子炬喷射与微波等离子体CVD法可以制备无色透明膜)。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第9张

多晶金刚石膜与其微观形貌


由于对薄膜衬底的几何形状没有限制,因此常用于刀具、钻头、发动机零件等易磨损零件的保护性超硬涂层的沉积。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第10张


比天然还纯净的微波等离子体法(MPCVD)


MPCVD法借助磁控管或固态源产生特定频率的微波,通过波导馈入反应腔体,根据反应腔体特殊的几何尺寸在衬底上方形成稳定的驻波。高度聚焦的电磁场在此处击穿反应气体甲烷和氢气从而形成稳定的等离子球,这团富含电子、离子、活性原子基团的大杂烩在合适的温度和压力下就会在衬底上成核生长,或融入事先准备好的籽晶的晶格中,使之同质外延缓慢长大。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第11张


MPCVD由于超高的气体解离效率和无电极污染等优势,理论上可以杜绝任何杂质的掺入,沉积的金刚石单晶比天然钻石还要纯净,因此可制备光学级金刚石多晶窗口、电子级金刚石单晶等。

七夕,如何在实验室打造一颗钻石?  第12张

使用MPCVD制备的切割抛光后的金刚石单晶,与2017年德国奥格斯堡大学在铱衬底上生长的直径 92mm、155 克拉的金刚石单晶


关于培育钻石



虽然金刚石作为第三代半导体的代表材料,具有诸多极限性能,但普通民众最关注的往往还是金刚石的宝石学应用。随着人造钻石技术的发展,成本只有天然1/3的培育钻石逐渐兴起,作为年轻人的第一颗钻石,轻奢定位引得曾经傲娇的各大著名老牌钻石提供商如戴比尔斯纷纷下水,加入培育钻石的红海。


目前全球工业级合成钻石年产量中国占 90% 以上,培育钻石则超过一半,而国内80%都来自河南省的几家金刚石企业。比如豫金刚石,每年可制备200~300 万克拉无色宝石级钻石(HTHP法)。

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天然与培育钻石,你能分得清吗?


当然经过4C认证(颜色、纯净度、切工和克拉重量)培育钻石无论是高温高压法还是化学气相沉积法,与天然钻石别无二致,甚至更加纯净。


讲了这么多,不知道大家听明白了没有,动动脑筋,如果实验室有相关设备,打造一颗独一无二的钻石说不定有机会收获爱情呢?

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