【云展览 微科普】17、如何人工合成一颗钻石
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（十七）如何制造一颗钻石
钻石恒久远，一颗永流传
作为自然界莫氏硬度最高的物质
钻石常用来见证爱情的忠贞不渝
其实钻石与石墨一样
都由碳原子构成
他们之间到底有什么不同
通过什么方法
能够人工合成漂亮的钻石呢
本期“云展览 微科普”
为您讲述
如何人工合成一颗钻石
什么是钻石，
它和石墨有什么区别？
钻石，又叫金刚石，准确来说宝石级别的金刚石称为钻石。作为一种听上去很贵重的物质，它其实和铅笔芯的主要成分——石墨一样，都是由碳原子组成的，其两者互为同素异形体。但是由于结构的不同，使得金刚石和石墨拥有截然不同的物理化学性质，其中有着显著差别的是衡量硬度的莫氏硬度指数，金刚石的莫氏硬度等级为10级，而石墨仅仅为1级。
图1 金刚石（左）和石墨（右）的
分子结构球棍模型
什么是人造金刚石，
如何人工合成一颗金刚石？
天然钻石，顾名思义为自然界天然存在的钻石，其形成过程为：在一定的高温高压以及接近真空（类似缺氧的环境）中，经过几百万年的时间，由碳的其他同素异形体转化形成的。这种环境一般处于地表之下100~300km，才能满足钻石形成所需的约4.5~6GPa、1000~1500℃的压力和温度条件中。
同素异形体的转化即在不同的温度和压强条件下，由同一种元素形成的物质可以转化为其他同素异形体的变化，碳元素的转化相图如图2所示。因此根据此原理，我们只需要根据金刚石在相图中所处的位置，将其他碳的同素异形体处于所需的温度和压强环境中，即可得到我们所需要的人造金刚石。
图2 碳元素的相图
金刚石的合成方法主要分爆炸法、高温高压法和化学气相沉积（CVD）法。
爆炸法是将含有碳元素的炸药处于一定的高压容器中进行爆炸，可以得到含有其他碳物质的金刚石粉末。这种方法不能制造大颗粒金刚石，但可以将金刚石粉放置于六面顶压机中，经过约1300℃的温度、6.5GPa的压强以及约20-36h的生长时间中即可获得大颗粒金刚石。
图3 六面顶压机实物（左）
及腔体（右）示意图
CVD法是将碳源（如甲烷）和氢气通过预混合通到CVD设备中，由热丝、微波或直流进行加热，在一定压强作用下，形成一种等离子体，由此等离子体提供的能量将碳源中的碳元素（如甲烷）分解为碳原子，再在氢原子的作用下碳原子转化为金刚石，沉积于预先放置的衬底上，经过几天的沉积即可得到较大颗粒尺寸的金刚石。之后再经过机械抛光打磨、去除杂质等处理，即可得到一个宝石级的金刚石。CVD根据加热和形成等离子体的方式的不同，分为热丝CVD、直流CVD和微波CVD。
图4 热丝（左上）、直流（右上）
以及微波（下）CVD的原理示意图
比较以上两种方法所形成的宝石级的金刚石，高温高压法所制造的钻石克拉数较小，且由于设备的原因钻石内部会有金属残渣，且还有少量的氮元素混入钻石内，让钻石呈现出黄色。而CVD法所制造的钻石纯度更高、杂质更少、克拉数更大，且可以合成各种颜色的钻石。
图5 左上为高温高压法制造的钻石，
中上、右上以及下图为宁波晶钻公司CVD法制造的钻石
人造金刚石和天然钻石的区别是什么？
达到一定标准的人造金刚石也是货真价实的钻石，和天然钻石一样，拥有着相同的成分、结构以及硬度等性质。只有在极其特殊的设备以及条件下，二者才能被很好地区分开来，单从外观几乎是无法区分的。
在早期的时候，人造金刚石由于技术水平较为低下，所合成钻石的纯度等指标不如天然钻石。随着技术的发展更新，如今的人造金刚石纯度、光泽、颜色等已经可以完全达到天然钻石标准，甚至更高。且随着时间的推移，合成钻石的价格和天然钻石的价格差也在逐步提高，也就是说我们可以用更低的价格买到相同质量的钻石。
其中，中国的工业级钻石合成产量占世界份额的90%以上。
人造金刚石还有什么用途？
由于金刚石本身结构的特殊性，金刚石实际上是自然界存在的硬度最高的物质，且也具有超高导热性等其他性质，除了作为观赏的宝石级金刚石外，金刚石也被工业生产及实验研究用于其他用途。
例如通过CVD法在刀具上制造金刚石涂层，可以很好地使刀具在切削高硅铝合金时具有良好的抗粘着性、较低的切削力以及较高的耐用度等。除此之外，金刚石还在工业上被用于制造金刚石导热片、金刚石钻头、金刚石磨料以及金刚石硬度计压头等。
图6 金刚石刀头（左）、金刚石锯片（中）
以及金刚石导热片（右）
参考文献
[1]成绍恒. CVD金刚石单晶生长及金刚石晶体管的研究[D].吉林大学,2012.
[2]徐洮,赵家政,徐康.爆炸法合成纳米金刚石微粒的结构研究[J].电子显微学报,1999(04):3-5.
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[5]卢文壮. CVD金刚石涂层刀具的制备及其切削性能研究[D].南京航空航天大学,2008.
特别感谢
中国科学院宁波材料技术与工程研究所
秦越
易剑
褚伍波
提供以上内容
鸣谢
中国科学院科技促进发展局
中国科学院宁波材料技术与工程研究所
文章来源：“院史天地”公众号
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