CVD 合成钻石第 1 部分：历史
四月 30, 2013
1954 年，即公开宣布高温高压合成法的前两年，另一种钻石生长方法获得了专利：CVD（化学蒸气沉淀法）制作法。 CVD 合成宝石级钻石的的早期品质报告受到人们的质疑，多年后也仍未得到验证。 80 年代末，掌握了高度发达技术的科学家发现了如何利用 CVD 工艺再生产钻石。
CVD 工艺与天然钻石的形成有极大的差异。 在充满烃气体（通常是甲烷）和氢气的热混合气体的真空室中，施加极低压力，于是产生了钻石。 在正常情况下，在如此低的压力下加热该混合物将产生石墨或某些其它非钻石形式的碳。 但在 CVD 生长室中，一些氢被转化成氢原子，从而促进钻石的形成，因为钻石在这样的环境下更稳定。 氢分子转换成氢原子是通过应用微波、放电或热丝来完成的。 当氢原子存在于气相中，会发生两种化学反应：
（1）石墨和其他非钻石形态的碳原子，会与氢原子发生反应，并在新形成的气相中蒸发。
（2）原子氢与原本的烃类气体（甲烷）起反应，形成活跃的碳氢化合物。 当化合物分解时，会释放氢气，剩下碳原子形成钻石。
为了制造出宝石级的人造钻石，将钻石晶种（本质为天然形成、高温高压法或 CVD 法形成）导入气体混合物中，温度升高至 900〜1200℃。活跃的碳氢化合物会在整个钻石晶种表面活动，直到找到可用的碳原子，附着其上。 这样，晶种就长出了一个碳原子。 无限重复这个过程，就能复制出钻石晶体的三维晶体结构。
图 1. 这张照片显示了无色钻石以高温高压下生长的黄色钻石为晶种的生长，大约 1 毫米厚。
图 1 为无色钻石以高温高压下生长的黄色钻石为晶种的生长。 这颗晶体约 1 毫米厚。 较厚的晶体可以通过延长生长时间来实现，可以将其留在晶体生长室中，也可以通过除去种子、检查，并且将其返回到所述腔室，以获得更多的增长。 迄今为止，钻石晶体已生长为 3 至 5 毫米厚，可用于加工成宝石。 CVD 种子生长的微妙之处在于，虽然它可以垂直增长至一定的厚度，但其横向生长却受品质因素的限制。 因此，种子直径至少应与所需宝石的直径一样大。 每一个新宝石的生长都需要晶种，所以种子必须回收和再利用或留存一定的生长能力，以供持续生产晶种。最早的 CVD 生长室只允许在一个特定的时间内生长一颗种子。 虽然反应器里种子的容量是顶级的商业机密，仍有一些 CVD 制造系统称能够同时培育 50 个或更多的晶种。 这个数字预计在未来还会增加。
图 2. 切磨抛光后的 CVD 生长合成钻石。
用与天然钻石同样的方式给 CVD 合成材料切磨和抛光，两者打磨成本是一致的。 这些宝石可在腰部进行激光雕刻，便于初步鉴定。 图 2 显示了典型的 CVD 生长、切磨抛光后的合成钻石。在本系列的下一篇文章中，我们将探讨 CVD 合成钻石的属性。
作者简介
Robert Linares（罗伯特·利纳雷斯）博士是咨询公司 Integrated Diamond Technologies, LLC. 的所有者。 他是晶体生长技术方面的专家，是 Apollo Diamond Inc.（阿波罗钻石公司）的创始人之一。该公司是首批宝石级 CVD 合成钻石的生产商。 Linares 博士曾荣获 2002 年海军伯曼奖（ Navy’s 2002 Berman Award），该奖项用于表彰在钻石领域的量子计算研究和应用方面取得突破的个人。
