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高温高压(HPHT)法和化学气相沉积法(CVD)合成

admin 人造钻石 2020年07月01日

  用化学气相沉积(CVD)法创造的合成钻石,电浆(低压等离子)可以在一个大的表面上生成材料,可以在另外一种材料的表面上生成钻石,还可以控制成长材料的特征。大多数化学气相沉积(CVD)生成的钻石都是无色的。我们应该记住合成钻石的颜色是可以被改变的,无论它们用什么方法创造出来。籽晶的利用可以加大钻石的直径。

  从化学意义上来讲,钻石是可以浸入到多种材料表面的,如钻石、硅、钨(W)、铝(Mo)、碳化硅、氮化硅、石英玻璃等,只要薄膜表面材料可以经受住高温,在过程中不会受到气体活动的影响,并且不会熔化碳即可。

  合成钻石生长过程的一个基础性问题是碳是一种同素异形的物质这样一个事实——一种基础元素可以两种或多种形态存在。在常温下,石墨是碳稳定的热力学形态。因此,化学气相法(CVD)生成过程的第一个必要条件就是碳原子浸没,在此过程中要同时控制SP2电子的产生,即抑制石墨的产生。

  浸没的理想条件是使用1%的甲烷气体(也称作沼气)与氢气融合作为主气体,并且在温度在700-1000摄氏度以及气压在30-300托(大约相当于大气压力的0.4倍)的条件下进行。

  电浆在微波或热力的帮助下激活气体状态的方法使得化学浸没合成钻石的方法各不相同。所有的技术都有自己的优点和缺点。最主要的不同在材料浸没的比率、浸没表面的尺寸以及浸没钻石的品质。浸没的目标比率是保证每小时厚度生长大约1毫米,这只是平均水平!但是,对于那些面积少于1平方厘米的表面区域来说,这种浸没比率是受到限制的。因为浸没比率会增加,生成的钻石品质就会降低。为了获得一颗透明钻石,一般使用每小时10千分尺的浸没速度。

  可能的利用增添特殊技能、光学、电子等特征将钻石转化成基本应用的理想材料。利用化学气相沉积(CVD)法生长并经历过硼改性的钻石具有导电性。而且,钻石本身具有优质热导性,作为一个电流导体它不会升温。想想看我们的计算机芯片以及移动手机有一天将如何被一个薄薄的钻石表面所取代,它将用速度和效率来执行自己的任务,而且即使我们连续数小时使用,它也不会升温。计算机和手提电脑将改变它们的尺寸和造型。空气流通和制冷系统也不再需要,系统将会戏剧性地提升效率。就像其他的电子部件一样,计算机芯片将会变得更加高效。控制它们的电子特征将会提升我们对它们的利用能力。

  高能量水平的物理实验利用合成钻石部件被应用到电子通讯、X-射线以及镭射行业。化学气相沉积(CVD)合成钻石能够很好地传送光线千分尺的光线。这个事实让它成为很多行业以及光学应用的理想材料。

  生成类似晶体表面这样的能力以及传输光线的能力让创造超凡品质的镜头成为可能。用这种观测设备和望远镜收集宇宙、太阳系外的信息,可以为我们提供今天无法匹敌的信息。相机镜头的寿命会延长,因为它们更加坚硬。它们不会被刮花。只有钻石才能够刮伤它们!绝缘的电子物质在高压系统中作为一个外部窗口。化学气相沉积(CVD)钻石打造的窗口镜头是唯一可以作为核聚变镜头的物质,它可以在理想强度下让镭射穿过,无需使用制冷技术。科学家相信,清洁可持续能源是下一代的事情了(尽管由于福岛灾难他们的一部分信念已经被毁灭)。

  将化学气相沉积(CVS)钻石浸没到其他表面的能力使得我们可以利用钻石坚硬的优势来创造技术工具。引擎将不会被刮伤或者在特定比率下损害。有能力进行高水平打磨作业的圆盘的创造今天已经在石油和气体钻井行业利用,在大理石钻孔中利用,甚至在家庭钻孔中应用。用化学气相沉积(CVD)钻石打造的切割工具可以达到一个高品质、精准的切割水平。

  通过控制条件生成钻石,可以让我们持续地得到理想特征的钻石,甚至比天然钻石更加纯净。整个世界的可能性都向珠宝设计师们敞开——多种多样的钻石颜色和造型,理想的价格以及充裕的时间。

  如果有一天全球的钻坯开始稀缺或者耗尽(或者在经济上已经不适合开采),那么就存在消费者需求的可能性。如果说钻石是永恒的,那么现在我们有能力干涉及让这个效果影响永恒甚至远不止如此……

  我们必须记住,化学浸没生成的合成钻石的化学成分几乎是纯碳元素,它的硬度是莫氏硬度表上标注的10倍。因此,我们必须采取锯切和抛光作业,就像我们处理天然钻石那样。

  化学气相沉积(CVD)钻石的原子重量是3.52,因此公式和重量计算没有任何不同。它的热导性非常好,它的所有标准测试和鉴定都跟天然钻石得出的结果一样。多数化学气相沉积(CVD)钻石都具有非常高的净度等级——VS或者跟高。辨认天然钻石和化学气相沉积(CVD)钻石的唯一方法是利用先进的工具,这需要专业的和昂贵的设备以及知识(这个将会在另外一篇文章中讲到)。

  有很多公司已经开始推广化学气相沉积(CVD)的美学钻石,包括Gemesis公司【这家公司利用高温高压(HPHT)法培育钻石晶体,现在还使用化学气相沉积(CVD)法培育】、Life Gem、Chatam、 D Nea Diamonds 等。

  值得关注的是Element Six公司——之前它被称作“德比尔斯工业钻石”(“De Beers Industrial Diamonds”)。该公司精通生产合成钻石、立方氮化硼(Cubic Boron Nitride)以及其他工业用途的特别坚硬的材料。该公司由恩斯特·奥本海默先生(Sir Ernest Oppenheimer)于1946年成立,目的是为了提供合成钻石以及创造其他工业用超坚硬材料。现在第六元素(Element Six)是世界上知名的培育超坚硬材料的公司,包括合成钻石。德比尔斯(De Beers )投入大量资金用于这项研究以及技术产品的开发,这个能力让我们可以鉴定并区别合成钻石和天然钻石。

  查姆·伊文-佐哈(Chaim Even-Zohar)谈到尼基·奥本海默(Nicky Oppenheimer)的儿子乔纳森·奥本海默(Jonathan Oppenheimer)。他说,乔纳森(Jonathan)最终会为了美学目的销售合成钻石。乔纳森最近刚刚将自己在德比尔斯(De Beers)的股份出售给英美资源集团(Anglo American)。“在今年年初我们在意大利进行的一次谈话中,他兴奋地告诉我德比尔斯(De Beers)的合成部门、乔纳森(Jonathan)领导的第六元素公司(简称E6)已经有了明确的推广计划,但是它不会与德比尔斯(De Beers)竞争。我们绝不会这样做。”他还暗示合成钻石的定价将会与天然钻石的定价大不相同。

  E6公司是一家成功的全球性优质材料生产钻石公司,为多个行业的工具生产商和应用商提供商品。公司在爱尔兰、中国、德国、瑞典、南非和英国都有大型工程。他们还有与德比尔斯(De Beers)合资开办的企业,与比利时Umicore合作的公司,尽管从美学目的出发从事合成钻石买卖的生意只属于德比尔斯(Oppenheimer)。这对于英美资源集团(Anglo American)来说很陌生,我确定两年之后它会卖掉自己在德比尔斯(De Beers)的股份给奥本海默(Oppenheimer)家族。

  如果我们考虑到地下钻石资源的损耗,我们就会意识到我们的确需要考虑材料问题。

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