仓一次只能长个籽种晶

籽(种

二、高温高压(HTHP)籽(种)晶触媒法合成钻石

1.合成钻石的原理

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，石墨中的碳原子会重新按钻石的结构排列，而形成钻石。

图14-6-1　压带装置

2.合成方法

合成钻石的方法主要分静压法、动压法和低压法(即在亚稳定区内生长钻石的方法)。合成工业用钻石主要采用静压法中的静压触媒法，通过液压机产生(4.5～6)×10⁹Pa的压力，以电流加热到1 000～2 000℃的高温，利用金属触媒实现石墨向钻石的转化。图14-6-1为用压带装置合成工业钻的装置结构示意图。

宝石级合成钻石也是采用的静压法，但加入了籽(种)晶，所以又称为籽晶触媒法。此法采用了金属触媒来促进石墨向钻石的转化。金属触媒的主要作用是降低石墨向钻石转化的温度和压力条件，提高转化率。同时，金属触媒可以作为碳的溶剂。在适当的温度压力条件下，石墨和钻石都可以溶于触媒中，且石墨的溶解度大于钻石，当压力升高时，二者的差异也增大。因此，当石墨在金属触媒中溶解达到饱和时，对钻石而言就已经达到过饱和了，此时，钻石容易从触媒中结晶出来。在合成过程中对温度、压力的控制较复杂，晶体生长的时间较长，合成成本较高。

合成过程中，通常选用天然或合成的钻石粉或石墨与钻石的混合物作为碳源，使用特定的铁镍合金触媒。原料在高温高压下溶解于铁镍触媒中，当温度降低或压力舱内存在温度梯度，溶解于触媒中的碳达到过饱和，并在籽晶上以钻石的形式结晶出来。如此不断生长形成较大的钻石单晶体。目前，合成宝石级钻石可以采用压带装置或分裂球装置。

压带(Belt)装置是由美国通用电气公司发明的，最初用来合成工业钻石，是一个两面顶压机，电流通过叶蜡石炉内的碳管电阻加热。合成宝石级钻石时叶蜡石炉内相间叠置的石墨和铁镍圆片被如图14-6-2所示的分裂球中的反应舱替代，反应舱通常分隔为上下两个(图14-6-3)。所用原料为合成或天然钻砂，两个钻石籽晶分别放在两个生长舱的两端，所以一炉只能生长两颗钻石。合成宝石级钻石所用的压力为(5.5～6)×10⁹Pa，温度为1 650℃，圆筒中间温度较高(1 650℃)，两端较低(1 550℃)。碳在中间溶解于金属触媒中，在两端析出于籽晶上。生长一颗1ct的晶体需60h。

分裂球(BARS)装置(图14-6-2)是1990年由俄罗斯人发明的，因独联体的解体，很多技术员把这项技术带到世界各地。目前市场上的宝石级合成钻石基本都是用这种方法合成的。该装置由2个半球、8瓣组成，合成需要的压力由液体注入压力桶获得，高压使8个球截体合拢，从而对构成八面体形状的6个活塞产生压力，中间是一个小的生长仓，一次只能长1个晶体，生长舱内结构如图14-6-3所示。合成温度(T)和压力(P)条件基本同压带装置的条件。1ct的晶体需要长3天。

图14-6-2　分裂球装置

图14-6-3　反应舱内部结构

(压带装置和分裂球装置中的反应舱相同)

图14-6-4　合成钻石晶形与生长温度的关系

3.合成钻石的晶形、颜色及类型的控制

合成钻石晶体形态主要为立方体与八面体的聚形。合成时的温度对形态有一定的影响。温度较低(1 300℃)时，以立方体为主，温度较高(1 600℃)时以八面体为主(图14-6-4)。

因为生长舱内充满了空气，空气中含有氮，所以大多数合成钻石都是含孤氮的Ib型黄到褐色钻石。合成钻石的颜色和类型也可以控制。如果在反应舱内放一些氮的吸收剂，如锆或铝，则可获得无色的不含氮的Ⅱa型钻石。如果同时再加入一些硼，则可获得含硼的蓝色Ⅱb型钻石。

合成的钻石经过长时间的高温高压处理，使孤氮聚合则可形成集合氮，可以使其颜色变白一些，但成本很高。也可以通过辐照处理变成彩色钻石。