钻石的培育过程可以追溯到几十年前,当时科学家们开始研究利用高温高压技术来合成钻石。如今,培育钻石的方法已经得到了极大的改进,使得合成钻石的质量和大小都能够达到商业化的标准。
培育钻石的过程源自钻石种子。在实验室中,利用先进的设备和前沿技术,将砂砾大小或是薄片状的钻石作为种子,置入培养仓内。这些钻石种子起到了原子结构模板的作用,为钻石的生长提供了基础。
在培养仓中,高温高压环境被创造出来。温度和压强将迅速升高,达到大道地底深处过百里公里处的高温高压环境,模拟天然钻石形成的条件。这种高温高压环境是培育高质量钻石所必需的。
一、市面上可以批量生产钻石的方法有两种:Chemical Vapor Deposition化学气相沉积,简称CVD,以及High Pressure High Temperature高温高压,简称HPHT。
CVD化学气相沉淀法:化学气相蒸镀乃使用一种或者多种气体,在一加热的固体基材上发生化学反应,并镀上一层固态薄膜。所谓CVD钻石是以天然钻裸石为母石,利用高纯度甲烷、加上氢、氮等气体辅助,在微波炉中以高压方式,让甲烷中与钻石一样的碳分子不断积累到钻石原石上,经过一层层增生,可形成大至10克拉之透明钻石。为使CVD的钻石生长顺利,碳源常用已具钻石结构的甲烷。甲烷可视为以氢压出的单原子钻石。这样长大的钻石,品质与天然钻石几乎一致,肉眼难辨。
(1)选晶种:制备和选取高品质的钻石“种子”基3籽晶片。
(2)排列:将选取的籽晶片放置在设备内的金属基座上排列。
(3)调节设备参数:关上设备,稳定地控制各个生长参数温度、压强、气体流量、功率等启动设备。
(4)沉积生长:注入甲烷CH4体和氢气H2,并用微波束加热形成等离子体,置于1500摄氏度下,经过100小时生长。
(5)激光切割:钻石原石出炉,由于生长过程中各个面的生长速率不同,所以生长出来后需要经过精密激光切割。
(6)打磨:钻石原石切割打磨
(7)裸钻形成:于是CVD化学气相沉积法培育的钻石就诞生了
二、还会使用到HPHT高温高压法:
HPHT 代表高压、高温,是在实验室中生长钻石的主要方法之一。这种钻石生长过程使碳受到极端温度和压力的影响,旨在复制天然钻石形成的地球深处的极端高温和压力条件。
(1)高温高压钻石生长过程
(2)将钻石种子放入专门设计的压榨机中。
(3)生长室被加热到1300-1600°C,压力高于每平方英寸870,000磅。
(4)熔融金属溶解高纯度碳源。
碳原子沉淀在小的钻石晶种上,人造钻石开始生长。然后,实验室培育的晶体由钻石切割机切割和抛光。
更详细地说,高温高压(HPHT)金刚石生长发生在能够产生非常高压力的装置内的小胶囊中。在胶囊内,碳原料(如石墨)溶解在由铁 (Fe)、镍 (Ni) 或钴 (Co) 等金属组成的熔融助熔剂中,从而降低了金刚石生长所需的温度和压力。然后,碳材料通过助熔剂迁移到较冷的金刚石晶种,并在其上结晶形成人造金刚石晶体。结晶发生在几天到几周的时间内,以生长一个或多个晶体。
虽然天然金刚石晶体往往形成八面体,但 HPHT 合成金刚石晶体除了八面体外,通常还具有立方面。由于天然金刚石晶体和高温高压合成金刚石晶体的形状不同,它们的内部生长模式也大不相同。这些生长模式是将天然钻石晶体与合成钻石晶体区分开来的最可靠方法之一。
由此产生的刻面合成宝石通常表现出与其十字形生长扇形结构相关的独特颜色分布、荧光分区和纹理图案,有时还含有深色助焊剂金属内含物。在某些情况下,即使光源已关闭,该材料也会表现出磷光,在暴露于紫外线后也会发光。种植无色高温高压合成材料曾经是一个挑战。
氮气会使钻石变黄,因此必须远离生长环境。此外,生长高纯度无色钻石需要更长的生长时间,并更好地控制生长温度和压力条件。然而,最近的技术进步使实验室能够生产出刻面为 10 克拉及以上的钻石的无色晶体。
最终,通过与钻石种子上的碳原子结合,新的化学键形成,从而让种子逐步长大。整个培育过程需要经过一定的时间,取决于所需的钻石大小和质量。需要注意的是,虽然人工合成钻石与天然钻石在物理和化学特性上非常相似,但它们的形成过程不同。天然钻石经历了数百万年的地壳运动和高温高压环境才得以形成,而人工合成钻石则是通过人工模拟这种环境来实现。
总的来说,培育钻石是一个利用高温高压环境,在钻石种子的基础上逐步培养钻石生长的过程。通过在实验室中模拟天然环境,并加入适当的碳源,可以合成出高质量的钻石。这项技术的发展使得人们可以更加方便地获得钻石,满足市场的需求。