希望我们的研究，能让大家早日实现情人节送礼自由 | 李赫
钻石的前世，
是自然界对人类的慷慨的馈赠。
钻石的今生，
是我们人类伟大的发明创造。
李赫 · 中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员
大家好！一提起钻石，大家都知道它是一个奢侈品，但是对于钻石真正的应用可能并不是所有人都非常熟悉。所以今天在这里，我给大家来做一个汇报，讲一下钻石的前世今生。
我是李赫，来自于中科院宁波材料技术与工程研究所。
实际上钻石还有一个小名或者别名，叫金刚石，宝石级的金刚石。我们称作为钻石。它在最开始被发现时就跟权力和财富联系在了一起。
▲ 上：光之山钻石105.6克拉
下：非洲之星 520.2克拉
尤其是英国王室，他们就很喜欢钻石。在英国女王登基的时候，她手持权杖，头戴王冠。在这个王冠上就镶嵌了一颗一百多克拉的钻石，叫光之山钻石。而她手里拿的权杖上，镶嵌的那颗大钻石“非洲之星”更是重达520多克拉。这两颗钻石，都来自同一颗天然钻石“库里南一号”。
这么大的钻石非常稀有。可以说在很长的一段时间里，钻石一直是属于王室的，是一个很尊贵的、展示权势的物品。
后来钻石开始逐渐走入寻常百姓家里。
有一个公司叫做戴贝尔斯，戴贝尔斯公司的主营业务，就是钻石和钻石的产品。他们为了推广自己的钻石，首先在1939年的时候推出了一个4C规则。
这个4C规则，就包括了钻石的重量，用克拉来衡量它的颜色、纯净度以及切工。4C规则就给钻石了做了一个价格上的定义，通过这些定义把每个不同的钻石，都标注了不同的价格。
最令人印象深刻的就是在1947年的时候，公司提出了一个广告语，叫做“A diamond is forever”。
这个广告语的提出，实际上是响应了当时的背景的。1947年的时候，二战刚刚结束不久，美国的经济是非常繁荣的，想结婚的青年男女也是非常多。当“A diamond is forever”的广告语提出之后，就把钻石跟纯洁的爱情联结在了一起，因此促使它的销量大幅度地增长。
这句广告语流入了我国之后，由于我们汉语的表达非常丰富，就把它翻译成了“钻石恒久远，一颗永流传”。
这一下更不得了。在中国也把钻石当作定情的信物。现在在结婚的时候，好多婚礼上都有一个环节，就是由新郎给新娘戴上钻石戒指。
天然钻石的形成
大家可能不禁要问，这么稀有的钻石，它到底是怎么来的？
科学家们考察了钻石的矿场，他们发现很多的钻石矿，都是在火山口附近。后来有地质学家，又进一步地深入研究，发现在地幔处，也就是说在离地表，大约150公里到200公里的地方。
这附近的化学物质，在高温和高压的作用下被不断地挤压，经过了千百万年，不断缓慢地发生物理化学变化，经过火山的喷发它们就来到了地面，在火山口马上冷却下来就形成了钻石。
有的时候会下一些大雨，雨水会把钻石从山上冲击下来，到达河流。当水流变缓的时候，这些钻石就沉积在河床上，所以现在很多的钻石矿，基本上都是在火山口附近，或是在附近的河床里。这是地球母亲对人类的馈赠。
另一个方向就是，人们在金刚石矿场调研矿石的时候，发现它们很可能是天外来客给我们带来的礼物。
▲ 左：陨石的高速冲击
右：
东西伯利亚的巨型钻石矿
比如说在俄罗斯东西伯利亚的一个大的金刚石的矿场，人们发现了巨大的陨石坑，在这个陨石坑里面，就发现了很多的钻石。
因为每年，都有非常多经过地球的天外来客。我们有的时候在夏天会看到很多的流星雨，这些都是天外来客经过地球的一个场景。
有一些天外来客可能想在地球上歇歇脚，于是就到了地球上，它们到达的速度是非常快的，跟地球的接触也是很粗暴的。这样就产生了一个巨大的爆炸释放出来的能量，大概相当于几百颗原子弹同时爆炸的能量。
因此在陨石撞击的附近，就一下子形成了一个钻石很喜欢的环境，就形成了钻石矿。
钻石是不是能够人工合成？一直是我们科学家所想探讨的一件事情。
受到钻石成因的启发，那我们可以按照地球母亲做钻石的环境，以及天外来客给我们带来钻石的环境，模拟那个现场，能不能做出钻石？于是人们就又进行了深入的研究。
▲ 上：石墨
下：金刚石
在18世纪末期的时候，人们发现亮闪闪的钻石的主要成分就是碳元素，它跟貌不惊人黑黢黢的石墨，实际上是同宗的兄弟，可以说是一母同胞。
那么我们是不是可以把便宜而且储量特别丰富的石墨，转化成稀少的昂贵的钻石？人们进行了一些探索。
首先我们来看这一张彩色的图片。
这是一张碳的相图，我们可以看到在白色的区域里面，一般来讲这个地方的温度比较高，压力也比较大。在这个区间里面，是一个钻石稳定形成的区域，而下方红色的区间，是石墨比较稳定，钻石亚稳定的状态。
于是可以想象，如果我们用高温和高压模拟地球里面的环境，就应该可以获得我们想要的人造钻石。
▲ 1954年12月，GE公司采用HTHP法制备钻石
最初开展这个活动的，就是美国的GE公司，他们采用了一个两面顶的压机，成功地用高温高压法合成出了人造的钻石。
▲ 人造钻石⸺ 高温高压法（HTHP）
我们来看一下，当时他们所用的装置，是上下有两个顶的，用来施加压力，在中间的腔体部分，外面包着一个加热的装置，用电来进行加热实现高温。
我们再看这个腔体放大的部分，我们知道石墨是所用的原材料，通过高温高压，要把石墨转化成钻石，那是要耗费千百万年的，但是人类寿命很短也等不起。大家也很心急，怎么办？
我们就发现了铁、钴、镍这一类的金属元素，对于石墨转化成为金刚石，有很好的催化作用，它能大大加速转化的过程。于是在这里，我们又把它加入了溶媒金属，就是这类的金属仅仅加入溶媒金属，确实大大加快了转化的速度。
可是得到的金刚石，却不是我们想要的那种大块的金刚石。于是人们在里边，又加入了一颗小小的金刚石的种子，用这颗种子最后获得了大块的金刚石。
我们现在看到的是一个叫做六面顶压机的设备，这是现在生产人造金刚石比较常用的设备。它从上下左右前后六个方向，对石墨进行挤压，得到的金刚石，就是这张图片上这样，有点发黄的金刚石。
▲ 1965年开始，美国凯斯西储大学尝试用CVD法制备钻石
我们再回头看，当时用高温高压法实现了人造金刚石的合成之后，有另外一批人，也是美国人，他们采取了另一种方法，叫做CVD的方法，也就是化学气相沉积的方法，来实现单晶金刚石的生长。他们在一个管式炉里面，通过了一些气体，加温还通入含碳的气体，然后在里面实现了少量的人造金刚石的生长。
▲ 人造钻石⸺ 化学气相沉积法（CVD）
我们来看一下，现在我们用的化学气相沉积的设备，主要就是一个炉子，在这个炉子里面，要能够提供能量，而且要有能够往里通路的碳源。然后还要有一个托盘，托盘上面就是金刚石的籽晶，我们也把它当作金刚石的种子。
另外微波是提供能量的，可以把它看作是太阳，可以把甲烷看作是沉积的雨露。当太阳照在雨露上，就把甲烷变成了碳的等离子体、氢的等离子体。碳的等离子体，就像雨一样浇在这个种子上，在上面生根发芽。
实际上这个碳，在到达了金刚石的种子上之后，更多的形成的是石墨相。是石墨，而不是金刚石，金刚石比较少。这时候就需要介入氢气。
这个氢气就像一个高压的水龙头，把石墨从表面清除掉，这样我们就获得了很好的单晶金刚石。
▲ HTHP与CVD法的对比
左：HTHP
右：CVD
我们看到高温高压法和CVD法都能够实现人造钻石的制备。
但是高温高压法，由于很多时候里面含有大量的氮元素。因为空气中有大量的氮，所以它显得有些发黄，而一般来说CVD法比较好控制，而且这样得到的人造钻石，颜色是比较透明的。
而且CVD法相对于高温高压法，还有个更大的好处，就是当我们想要制备更大的钻石时，尤其是两克拉以上的钻石，CVD法是一个更好的选择。
实验室里“种钻石”
我们团队就一直在尝试在实验室里面种钻石。我们的团队叫做功能碳素材料团队，顾名思义，我们研究的就是碳和跟碳相关的材料。
▲ 左：功能碳素材料团队
右：国产CVD装备
我们这个团队现在，大概有四十几人，我们在刚开始种钻石的时候，首先面临着一个最大的难题，就是缺少工具。
大家都知道，“工欲善其事，必先利其器”。我们没有合适的装备。当时在国内，想要合成出高品质的单晶金刚石，需要采用的装备一般是从日本进口。
这种装备是非常昂贵的，换算成人民币大概需要300万人民币，而且它还不配套相应的工艺，就是给了你这个炉子还要自己去开发配方。
于是我们就对这个进行了研究，经过研究之后成功地在我们国产的CVD装备上，配套合适的工艺，生产出了单晶金刚石。国产的装备价格相当于国外装备的十分之一，这样我们就能够把CVD生产金刚石，进行产业化。
到目前为止，承接我们产业化过程的公司，叫宁波晶钻。它每年年产的钻石，能达到20万克拉，已经是相当可观的。
而且，在另一个方向上，我们碰到的另一个难题，就是单晶金刚石的籽晶的获得。实际上在制备金刚石的过程中，我们需要的最初的种子，是从天然的钻石里获得的。
大家都知道，一般来说天然钻石都比较小，所以我们获得的天然的金刚石的籽晶片也都不大，有的是3毫米×3毫米的，7毫米×7毫米的，一般也就是这样的大小。
所以，我们在种钻石的过程中，就需要培育出优质的种子。也就是说我们要想办法获得大的金刚石的种子，然后再进行金刚石的制备.
经过一段时间的研究，我们成功在国产的装备上制备出了7×7毫米的金刚石。第一次一次性可以合成出9颗，但是我们觉得这个跟理想的状态还相距甚远，于是又进行了工艺的调整和研发。
很快，我们就实现了在一次性制备中拿到21颗单晶金刚石，也就说明我们的生产效率提高了很多，但是这个离理想状态，即计算的状态，还有一定的差距。
后来我们又进行了调整，目前可以一次性地合成出28颗单晶金刚石，这已达到了计算的接近理论的极限了。
刚才我也讲到，我们想要的单晶金刚石是越大越好。
▲ 英寸量级人造单晶金刚石
因此，我们一直在尝试英寸量级的金刚石的制备，我们就用原来所获得的金刚石的籽晶片，它是比较小的。
把它进行精细的研磨、抛光，然后把它们拼接在一起形成一个大块的金刚石片，在这个上面，用我们的工艺去沉积，让它能够向上长厚。当长到一定的厚度之后，我们就停下来用激光把下面有缺陷的部分切割掉，然后再去重复这个过程，一次一次地重复。
我们可以看到这张图片，是国外报道的，一张用拼接法合成单晶金刚石的图片。这张图片上的金刚石片还是有很多缝隙的，也就是说它的缺陷还是很多的。
而这张图片，是我们自己做的单晶金刚石，我们可以看到它的背面，还是有一定缺陷的，是一个大概7个微米左右的缝隙。但是在它的正面，我们已经看不到这个缝隙了，我们就是在这个基础上，不断地进行合成、生长，最后拿到了没有缺陷的，大面积的单晶金刚石的籽晶。
没有金刚钻，不揽瓷器活
有很多人都问：“你们做了单晶金刚石，到底是要干什么用？”
我们中国有一句传统的俗语，叫做“没有金刚钻，不揽瓷器活”。也就是说金刚石，早就作为我们生产生活的一个工具了。比如说我们可以拿它来焗瓷。从这个角度上来讲，金刚石的机械的硬度，是我们利用它作为工具的一个很好的特征。
人造钻石的应用⸺ 精密加工
我们通过简单的切削的加工，就得到了这张图上表面非常光滑的一个零件，而且这个零件，都能够反射出来镜面的特性。
这张从下面往上照的图片，是天眼FAST。它下边的支架也是用铝合金来制造的，它的加工也都是采用的金刚石的刀具。
右上的这张大照片，是一个很复杂的工件的加工过程。如果用传统的加工方法，加工这样一个复杂工件，需要的时间是非常长的，而且还需要精密的研磨、抛光。可是使用了金刚石的精密加工刀具之后，我们的加工效率，得到了大幅度的提高，而且我们不需要再进行精密的研磨了。
除此之外 ，关于人造钻石，我们还有很多方面的应用。下面我举四个例子，这四个例子，是我们现在课题组里面，曾经或者是现在正在从事的一些研究工作。
▲ 上：激光晶体、芯片衬底和热沉基板
下：光学窗片、高能粒子探测器
比如说第一个，作为激光晶体。金刚石是一种具有很好的光学应用前景的光学晶体。它对于很多光的透过率都是非常好的，并且它具有其他晶体所不具备的优势。比如它的散热能力是非常好的，它的散热能力远远优于其它的单晶，而且在这里面，我们通过单晶金刚石的激光，就可以获得一个激光的拉曼增益。
我们用这种方法，可以去调节激光的波长。我们用这种办法，获得了黄色的激光。这个黄色的激光，一方面我们可以用它作为远程的激光的信息传输的载体，另一方面它也是一个对人眼安全的激光，可以用于眼科的手术。
我们都知道在计算机电子行业里面有一个很著名的摩尔定律。这个摩尔定律实际上是指，现在的器件，现在的芯片，每18个月它的芯片上的集成度就增加一倍，它的成本就降低一倍。
随着硅芯片的不断发展，到了现在，这个摩尔定律已经逐渐开始失效了。也就是说现在一个硅芯片上集成的晶体管，已经达到了几乎接近于极限的地步。这样的一个高功率的芯片是受制于它的温度的，它的热量无法散出，硅的散热能力跟金刚石比起来，差得很多。
因此下一代芯片，我觉得可能就是碳基的芯片，也就是说金刚石作为热沉积板的一种芯片。它可能会带来，计算机行业的一个颠覆性的成长。
另外，我们也可以利用金刚石的光学性质，将它做成太赫兹的光学窗口，以及利用金刚石和它表面的石墨烯的原位转化，形成金刚石—石墨烯的异质结结构，然后来做高能辐射粒子的探测器。
在这里我再介绍一下，金刚石有一个很有趣的现象，因为金刚石里的碳是呈正四面体的结构。
如果某一个位置上的碳，被空气中的氮原子所取代，在这里面就很容易形成一个空穴，即有一个氮，有一个空穴。这样的结构，我们把它叫作NV色心。
大家很奇怪，为什么叫作色心呢？就是因为这种结构的金刚石能够发出荧光。我们可以看到这张图，显示的就是金刚石的NV零和NV负。
这两个NV色心，它们可以在不同的光的激发下，发出不同颜色的荧光。在600多纳米的是红光，另一个是500多（纳米）的，它形成的是黄绿光，也就是说我们可以用这种办法制造彩钻。
▲ 人造钻石的应用⸺ 彩钻
用这种方法，我们就可以形成彩钻，它的NV中心越多，颜色就越浓。
并且现在我们中科院杜江峰院士团队，正在用这种NV色心的技术，去实现微观世界的量子传感。也就是说金刚石这种材料，也可能是一个量子材料，未来会带领我们开启一个量子的时代。
钻石的前世，是自然界对人类的慷慨的馈赠。钻石的今生，是我们人类伟大的发明创造。我也希望通过我们科学家的研究，打破钻石恒久远的神话，让大家早日过上钻石自由的生活。
谢谢大家！
文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。
第一时间观看格致论道演讲视频？请关注“中科院格致论道讲坛”官网和B站号
原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。欢迎关注格致论道官网：self.org.cn，微信公众号：SELFtalks，微博：格致论道讲坛。