钻石笔记(合成钻石)

钻石的合成

一、钻石合成发展史

•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粒小颗钻石

•1955年美国通用电气公司（GE）采用压带装置合成出了小颗粒钻石。

•1959年De Beers公司合成出钻石

•1970年美国通用电气公司合成宝石级大颗粒的钻石。

•1985年日本住友工业公司开始合成钻石

•1990年俄罗斯利用分裂球BARS合成出钻石

二、钻石合成原理

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。

•高温高压下，将石墨转换成钻石的条件：

无催化剂，加热到2700℃，压力1.25×1010Pa

有催化剂，加热到1200℃，压力4.0乘以10的9次方___1.0乘以10的10次方帕

（工业级）

•高温高压下，钻石溶化在金属溶剂中，再在较低温度下围绕籽晶重新结晶成钻石（宝石级）

三.钻石的合成方法

1.静压法：静压触媒法（工业级）、晶体触媒法（宝石级）

2.动力法：爆炸法、液中放电法、直接变为六方金刚石法

3.亚稳定区内生长钻石法（CVD）

宝石级钻石的合成（晶体触媒法）

1.原料：

碳源：钻石粉或石墨粉

籽晶：钻石碎片（天然或合成）

触媒：铁镍合金

金属触媒的主要作用是

a.作为催化剂，降低石墨向钻石转化的温度和压力条件，提高转化率。

b.作为溶剂，钻石在HTHP下，先溶解在金属触媒中，达到饱和后，然后围绕籽晶生长

2.装置：

压机：产生压力的系统

3.过程

a.将钻石粉、籽晶、溶剂按要求放在生长舱内

b.将生长舱放在压机中

c.加压6×109Pa，通过碳加热器加温1300-1800℃，使生长舱顶部的温度高于底部的温度

d.在上述条件下，由于生长舱上部的温度较高，钻石粉熔解，并通过溶剂向温度较低的底部迁移，当溶剂

中的碳达到饱和时，围绕籽晶生长，形成钻石晶体

e.生长1ct钻石晶体需要60小时左右，每次生长1-2粒

4.结果

直接产物：

Ib型：合成过程中无法排除空气中的N，故产生含孤氮的Ib型黄－褐黄色钻石

IIb型：在生长舱内加B，可产生蓝色的IIb型钻石

IIa型：加N吸收剂，如锆或铝，氮与这些元素键合比与碳键合更容易，如可阻止N与晶体中的C结合，产生无色的IIa型钻石

间接的结果：

将黄褐色的Ib型钻石通过辐照＋热处理，可产生粉红色和红色的钻石

将黄褐色的Ib型钻石通过HTHP＋热处理，使N聚合，可产生Ia型的钻石

四、化学气相沉淀法（CVD）

主要用于生产工业级，如电子工业中作为散热片的钻石。目前可以合成单晶钻石。

方法：靠微波加热一根其组成成分产生等离子体的管子，用抽气泵使甲烷和氢通过这根管子，导入反应腔，利用电热丝、微波、火焰、直流电弧等，将C从化合物分解成原子，形成等离子体，在氢的催化作用下，使每个碳与四个碳结合形成钻石结构，并沉淀生在制备的基底上，沿着{100}生成块状、粒状钻石

1.原料：CH4 + H2 气体

2.压力：约0.1大气压的CH4 + H2 气体；H气：H2分压易导致石墨的形成

3.温度：根据维持等离子体的需要确定，

4.加热器：微波发生器，用微波来加热气体

5.支撑体：钻石晶体，如同种晶，保持在800 - 1000 ℃

6.生长速度：大于1mm/hour

7.生长特征：生长层之间具有同构结晶的特性

五、合成钻石的鉴别

1. 晶体形貌特征（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。

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。

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，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。

4. 包裹体特征（放大观察）：

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。

5. 吸收光谱特征：

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。

6.紫外荧光特征

•合成钻石在长波紫外下通常无荧光，短波下常有黄色、黄绿色、橙黄色的荧光。如：黄色合成钻石长波惰性，短波为黄绿色荧光

•天然钻石在长波紫外下通常有较强的荧光，多为蓝白、黄、绿等，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。

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。

合成钻石显示典型的立方体——八面体样式；

天然钻石只显示八面体样式

8.红外光谱特征：

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：

有些合成钻石导电或有磁性。