HPHT 钻石和 CVD 钻石的生长过程：制造实验室制造钻石

James Shigley（詹姆斯·E.希格利）博士

七月 25, 2016

在今天的珠宝市场上，购买宝石级合成钻石或实验室制造钻石比以往容易多了。这让人们在对实验室制造钻石产生浓厚兴趣的同时，也让大家产生了顾虑：宝石学家或宝石学鉴定所能否鉴定这类钻石？
 

过去 30 年间，GIA 对实验室制造钻石或人造钻石进行了广泛研究，深入了解了这类钻石的制造及鉴定方法。虽然合成钻石是由工厂制造的，但其化学和物理特性却非常接近天然钻石。

有些人可能会将实验室制造钻石当作仿品，但这是不对的。真正的钻石仿品，如合成二氧化锆石或合成碳硅石，只是看起来像钻石，其化学和物理特性却截然不同，受过培训的宝石学家可以轻松鉴定出这类仿品。不过，鉴定实验室制造钻石难度就大多了。

在某些情况下，受过培训的宝石学家可以通过使用标准宝石检测设备，识别化学蒸气沉淀法 (CVD) 或高压高温 (HPHT) 制造和处理的钻石。但有些时候，宝石学家还需要使用先进的科学仪器对钻石进行测试，才能完成鉴定。GIA 拥有关于各类钻石宝石学特性的庞大数据库，我们利用该数据库来开发其他的钻石鉴定方式。

实验室制造钻石简介

20 世纪 50 年代，科学家首次在实验室制造钻石。不过，当时制造的钻石太小，不适用于珠宝。到了 20 世纪 90 年代中期，人们开始制造较大的宝石级晶体，并一直延续至今。如今，越来越多的公司开始从事合成钻石制造业务。多个国家/地区都在制造用于珠宝和工业用途的合成钻石，其中工业用途是这类材料的主要用途（Large Colorless HPHT Synthetic Gem Diamonds from China（《来自中国的大型无色高压高温合成宝石级钻石》），国际宝石新闻，《宝石与宝石学》(Gems & Gemology)，2016 年春季刊，第 52 卷，第 1 期）。

传统的钻石制造方法称为高压/高温 (HPHT) 法，是利用装置模拟天然钻石在地底形成时的高压高温条件，用装置内的碳材料制造合成钻石。 

相对较新的方法称为化学蒸气沉淀法 (CVD)，是将含碳气体注入真空室，让其结晶沉积在合成钻石晶种上。这种方法比高压高温法所需的温度更低，压力更小。两种方法目前都是非常流行的钻石制造方法。用化学蒸气沉淀法制造钻石的前期设备成本比高压高温法要低，但使用这种方法制造的钻石，需要后续处理以改善颜色。

什么是高压高温 (HPHT) 钻石？

HPHT 代表高压高温法，这是实验室用于制造钻石的一种主要方法。这种钻石生长过程需要将碳置于极端的温度和压力环境下，这种环境模拟了地球深处天然钻石形成时的极端热量与压力条件。

HPHT 钻石的生长过程

• 将钻石晶种置于专门打造的压力条件下。
• 将生长室加热至 1300-1600 °C，压力高于 870,000 磅每平方英寸（约 5,998,440 帕）。
• 熔融金属将高纯度碳源分解。
• 碳原子沉积在一小块钻石晶种上，合成钻石开始生长。
• 之后，这块实验室制造晶体由钻石切磨师切磨。

详细说来，HPHT 钻石是在一个小舱室里生长的，这个小舱室位于可以产生极高压力的装置内。舱室内的碳原料（如石墨）熔解在铁（Fe）、镍(Ni)、钴 (Co) 等元素组成的金属助溶剂中，从而降低钻石生长所需的温度和压力。然后，碳材料借助助溶剂向温度较低的钻石晶种移动，并在其上结晶，形成合成钻石晶体。结晶过程需要数天至数周时间，以形成一个或多个晶体。

天然钻石晶体往往呈八面体，而 HPHT 合成钻石晶体除了八面体表面，通常还会呈现立方体表面。由于天然钻石晶体和 HPHT 合成钻石晶体的形状不同，它们的内部生长模式也大不相同。内部生长模式差异是区分天然钻石晶体和合成钻石晶体的一种可靠方法。

经过刻面的合成宝石通常会呈现出特殊的颜色分布特征、荧光分区和孪晶纹，这些都和晶体的十字形生长区结构有关。有时这类宝石还会带有深色的金属助熔剂内含物。某些情况下，这种材料会呈现磷光现象，即暴露于紫外线光源后，即便切断光源仍然能持续发光。 

制造无色的 HPHT 合成钻石曾是一大难题。氮会使钻石变黄，因此必须将其排除在生长环境之外。此外，高净度的无色钻石需要更长的生长时间，其生长所需温度和压力条件也需要更好的控制。不过，最近的技术发展已经能让人们制造出 10 克拉以上的钻石刻面无色晶体（15 Carat HPHT Synthetic Diamond（《15 克拉 HPHT 合成钻石》），实验室注意事项，《宝石与宝石学》(Gems & Gemology)，2018 年夏季刊，第 54 卷，第 2 期）。

蓝色晶体的出现是因为在宝石生长过程中添加了硼。而粉红色和红色等其他颜色较为罕见，是通过宝石后期生长处理工艺（包括辐射和加热）形成的。

什么是化学蒸气沉淀 (CVD) 钻石？

CVD 表示化学蒸气沉淀法，这是在实验室制造钻石的另一种方法。这种钻石的生长需要在真空室内对烃类混合气体施加适当的压力和温度。 

CVD 钻石的生长过程

• 将钻石晶种置于钻石生长室中。

• 生长室中注入含碳气体。

• 将生长室加热至 900-1200°C。

• 微波束让碳从等离子云中落下，沉积在晶种上。

• 每隔几天会取出其中钻石，打磨钻石顶部表面，移除其上的非钻石碳元素，然后再放回生长室。每批钻石可能需要经历几次开始/停止循环，整个生长过程需要三到四周。

• 取出合成钻石晶体后，这些晶体就可以进行切磨，制成最终产品。

详细来说，CVD 钻石是在充满碳氢混合气体（如甲烷）的真空室内生长的。能量源（如微波束）分解气体分子，碳原子向下吸附到温度更低的扁平钻石排种盘中。结晶过程需要数周时间，多个晶体同时生长。确切的数量取决于真空室的尺寸和排种盘的数量。这种板状晶体通常会形成需要切除的黑色石墨粗糙边缘。它们还会呈现褐色，这种颜色在进行宝石刻面步骤前，可通过热处理去除。目前市面上出售的大多数 CVD 生长的无色钻石很可能都是已经过高压高温 (HPHT) 热锻脱色处理的褐色晶体。 

与 HPHT 钻石制造方法一样，CVD 制造方法也在不断改善，让制造商能制造出颜色和净度都有较大提升的更大宝石。 （Observations on CVD-Grown Synthetic Diamonds: A Review（《化学蒸气沉淀法生长的合成钻石观察：评述》），《宝石与宝石学》(Gems & Gemology)，2016 年秋季刊，第 52 卷，第 3 期）

如何鉴别 HPHT 钻石或 CVD 钻石

虽然合成钻石与天然钻石的化学成分相同，但合成钻石的生长条件让它们形成了自己的识别符号。GIA 科学家利用这些识别符号来区分合成钻石与天然钻石。GIA 科学家甚至可以利用这些符号来确定钻石生长使用的方法。

上方表格列出了大多数合成钻石所具有的视觉特征。然而，并不是所有刻面合成钻石都会呈现上述特征。例如，特定的合成钻石可能不会呈现荧光。因此，依据尽可能多的判断特征来鉴定钻石非常重要。
 
色域是一种非常重要的判断特征。由于氮等元素在晶体形成过程中聚集，HPHT 彩色合成钻石常常呈现出几何图案色域。天然钻石有时会呈现色域，但其色域不会像 HPHT 合成钻石的色域那样呈现几何图案。而 CVD 生长的合成钻石着色则通常比较均匀。

HPHT 合成钻石通常含有金属助溶剂内含物，这内含物在透射光下呈黑色、不透明状，在反射光下则会呈现金属光泽。这是因为在 HPHT 钻石生长过程中，用作催化剂的金属有时会进入钻石晶体。这些助溶剂金属合金含有铁、镍、钴等元素。因此，有时用磁铁可以吸附含有较大金属内含物的合成钻石。

CVD 生长的合成钻石不含金属内含物。但是它们通常含有深色石墨内含物或其他矿物内含物，这些内含物是在它们独特的生长过程中形成的。石墨内含物与金属内含物不同，它们没有金属光泽。

在两个互呈 90 度角的偏振滤光片之间检查时，天然钻石通常呈现出明亮的交叉影线或干扰的马赛克图案或“应力”颜色。这些干扰色是钻石在地球深处时或者在火山爆发而被带到地球表面的过程中因承受巨大压力而形成的。CVD 合成钻石往往带有带状“应力”图案，科学家可以利用这种图案符号将 CVD 合成钻石与 HPHT 合成钻石区分开来。相比之下，HPHT 生长的合成钻石生长在压力几乎始终一致的环境下，不会受到任何应力影响，因此这种钻石不会呈现应力图案或仅有微弱的带状应力图案。

合成钻石的荧光也是常用的识别符号。合成钻石的荧光在短波下通常比在长波紫外线光源下更强，而天然钻石的荧光正好相反。合成钻石的荧光也常常呈现独特的图案。 

HPHT 合成钻石切磨后，其冠部或底部往往会呈现十字形荧光图案。而从底部刻面观察 CVD 合成钻石，钻石可能呈现条纹图案。常见的荧光色包括绿色、黄绿色、黄色、橙色和红色。

一些合成钻石甚至在紫外线灯关闭后，还能发光一分钟或一分钟以上。这称作磷光现象，通常只有合成钻石才会出现这种现象。 

GIA 使用 DiamondView™ 荧光成像仪器来检查钻石。该仪器可以显示钻石晶体内部的生长模式。

钻石鉴定的真正难点是鉴定微小的米粒钻。在珠宝行业中，米粒钻都是成包出售，每一包都有成百上千颗钻石。有些人会把天然钻石和 CVD/HPHT 生长的合成钻石混合包装。

为了解决这一大难题，GIA 研发出 GIA iD100®。可以购买这种设备，自动检测尺寸非常小的钻石。。此外，我们的鉴定所也提供米粒钻检测服务。

作为合成钻石持续研究项目的一部分，GIA 打造了 CVD 生长设施，并利用该设施制造 CVD 合成钻石，以供研究。

随着合成钻石技术日益复杂，GIA 科学家凭借不断进步的检测技术和研究工作，始终走在行业前沿。要想确定您所购买的钻石种类，请务必购买带有 GIA 钻石鉴定证书或 GIA 实验室制造钻石鉴定证书的钻石。了解更多 GIA 米粒钻检测服务和钻石检测设备 — GIAiD100^®、GIA DiamondCheck™ 的相关信息。