第八章 高温高压种晶触媒法合成钻石

第八章.高温高压种晶触媒法合成钻石

要点：

1． 钻石合成方法的发展历史

2． 高温高压种晶触媒法基本原理、合成装置与条件、过程及特点 3． 合成钻石的鉴定

一、 钻石合成方法的发展历史

早在18世纪人们就开始了合成钻石的探索，但直到20世纪，由于热力学及高温高压技术的发展，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年采用压带装置合成出了小颗粒的钻石。此后， 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成本仍然很高，虽有初步的商业化，仍不能进行大批量的生产。2000年合成的可切磨的钻石只有3500ct，仅占当年天然宝石级钻石产量的0.01%。

到二十世纪九十年代，人们发明了一种 化学气相沉积法（CVD）---一种在低压下生长钻石的新方法。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。目前生长速度只能达到每周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表面镀层，在珠宝首饰业应用还十分有限。 二、合成钻石的原理与合成方法

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1．合成钻石的原理

图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。根据钻石-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，天然钻石形成并保存于上地幔高温高压的条件下充分证明了这一点。但要在常温常压下破坏钻石中的C-C键需要很高的能量，因此，钻石不会自动转变为石墨。而在高温高压（相图中钻石稳定区的条件）下，石墨的中的碳原子会重新按钻石的结构排列，而形成钻石。 2．合成方法

合成钻石的方法主要分静压法、动压法和 低压法（即在亚稳定区内生长钻石的方法）。合成工业用钻石主要采用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1000-20000C的高温，利用金属触媒实现石墨向钻石的转化。 宝石级合成钻石也是采用的静压法，但加入了种晶，所以又称为晶种触媒法。此法采用了金属触媒来促进石墨向钻石的转化。金属触媒的主要作用是降低石墨向钻石转化的温度和压力条件，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，当压力升高时，二者的差异也增大。因此，当石墨在金属触媒中溶解达到

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饱和时，对钻石而言就已经达到过饱和了，此时，钻石容易从触媒中结晶出来。在合成过程中对温度、压力的控制较复杂，晶体生长的时间较长，所以成本比合成工业钻砂高得多。下面介绍宝石级钻石的合成方法

原料：通常选用天然或合成的钻石粉，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。

原料在高温高压下溶解于铁镍触媒中，当温度降低或压力舱内存在温度梯度，溶解于触媒中的碳达到过饱和，并在种晶上以钻石的形式结晶出来。如此不断生长形成较大的钻石单晶体。 目前，合成宝石级钻石主要采用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发明的。通常采用两面顶压机加压，电流通过叶蜡石炉内的碳管电阻加热。所用原料为合成或天然钻砂，还需要2个钻石籽晶分别放在2个生长舱的两端。所以一炉只能生长两颗钻石。合成宝石级钻石所用的压力为5.5X109—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，在两端析出于籽晶上。生长一颗1克拉的晶体需要60个小时。

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分裂球（BARS）装置：1990年由俄罗斯人发明的，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基本都是这种方法合成的。

图8-3 分裂球装置

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图8-4 反应舱内部结构（压带装置和分裂球装置中的反应舱相同） 该装置由2个半球、8瓣组成，合成需要的压力由液体注入压力桶获得。高压使8个球截体合拢，从而对构成八面体形状的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。生长舱内结构如图所示。合成温度和压力条件基本同压带装置的条件。1克拉的晶体需要长3天。

合成钻石大部分为黄-褐色，白色的很少。 3．合成钻石的晶形、颜色及类型的控制

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一定的影响。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控制。因为生长舱内充满了空气，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。如果在反应舱内放一些氮的吸收剂，如锆或铝，则可以获得无色的不含氮的Ⅱa型钻石。如果同时再加入一些硼，则可合成出含硼的蓝色Ⅱb型的钻石。

合成的钻石还可以通过辐照处理把它们变成彩色钻石。

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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 1. 结晶习性：

合成钻石常常为立方体、八面体，及二者的聚形，而天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

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图8-7 合成钻石可显示漏砂状、交切状纹理

2. 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。

图8-8 天然钻石表面有时可见三角凹痕

3. 晶体表面及内部纹理：

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。天然钻石表面有时可见三角凹痕，内部可显示与结构有关的纹理。

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4. 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周围）。金属包体很难避免。

图8-9 金属熔剂残余包裹体

5. 吸收光谱：

合成钻石无特征的415.5nm吸收线，在液氮低温下还可测得658nm吸收峰，500nm以下全吸收。大多数天然钻石显示415.5nm的特征吸收线。钻石贸易公司（DTC）推出的钻石光谱鉴定仪

（DIAMONDSURE）就是通过检测415.5nm的特征吸收线是否存在来帮助区分天然与合成钻石。

图8-10 钻石光谱鉴定仪（DIAMONDSURE）

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6． 紫外荧光：

图8-11 钻石结构荧光鉴定仪（DIAMONDVIEW）

合成钻石在长波紫外下通常无荧光，短波下常有黄色、绿黄色、橙黄色的荧光。而天然钻石在长波紫外下通常有较强的荧光，多为蓝白色，短波下相对较弱或为惰性。合成钻石在短波紫外线下有特征的分带现象，即在立方体与八面体生长方向荧光分布特征，又称为“马尔他十字分带”现象，如图所示。天然钻石则显示年轮状荧光分布。钻石结构荧光鉴定仪（DIAMONDVIEW）就是有DTC专门推出用于检测钻石在紫外线下的荧光分布特征的仪器。近无色的合成钻石在短波下有明显的磷光，天然钻石无磷光。 7． 阴极发光：

与紫外下荧光分带特征相似，不同的生长区显示不同颜色的荧光分带。 8． 红外光谱：

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大多数为IB型钻石，显示1130cm-1的吸收谱带，无其它与氮有关的伴生峰。天然钻石主要为Ia 型，含有集合氮的吸收峰，如1176 cm-1和1282 cm-1吸收峰。 9． 导电性与磁性：

有的合成钻石导电或有磁性。

图8-12 合成钻石在紫外光下特征的荧光分带现象

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s3t5.html