合成钻石及其鉴别技术的进展

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1、合成钻石及其鉴别技术的进展XXX07*******计算机科学系07计（1）班摘要本文主要讲述合成钻石以及合成钻石的鉴别技术的发展。文章中比较详细的介绍了钻石和合成钻石的定义，对合成钻石的历史和现状进行了分析，并且简要的介绍了合成钻石的两种技术方法（高温高压种晶触媒法合成钻石和化学气相沉淀法(CVD)合成钻石），以及天然钻石和合成钻石的区别方法。合成钻石相对于天然钻石，成本虽然低，但天然钻石的意义是其不可替代的。关键词:钻石合成钻石鉴别技术1.钻石与合成钻石1.1.钻石的定义钻石是指经过琢磨的金刚石，金刚石是一种天然矿物，是钻石的原石。简单地讲，钻石

2、是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体。人类文明虽有几千年的历史，但人们发现和初步认识钻石却只有几百年，而真正揭开钻石内部奥秘的时间则更短。在此之前，伴随它的只是神话般具有宗教色彩的崇拜和畏惧的传说，同时把它视为勇敢、权力、地位和尊贵的象征。如今，钻石不再神秘莫测，更不是只有皇室贵族才能享用的珍品。它已成为百姓们都可拥有、佩戴的大众宝石。钻石的文化源远流长，今天人们更多地把它看成是爱情和忠贞的象征。1.2.什么是合成钻石合成钻石是实验室的人工产品，具有与天然钻石一样的化学及物理特性。美国通用公司于1954年首度成功制造出工业质

3、量的合成钻石，1970年成功合成出第一颗宝石级合成钻石，由于制作成本及设备生产时间的问题仍存在，现在市场上可以见到的宝石级的合成钻石还是以黄色为主。2.合成钻石的历史和现状5早在18世纪人们就开始了合成钻石的探索，但直到20世纪，由于热力学及高温高压技术的发展，才使钻石的合成得以实现。1953年瑞士工程公司（ASEA）使用压力球装置首次成功地合成出了40粒小颗的钻石，美国通用电气公司（GE）也于1955年采用压带装置合成出了小颗粒的钻石。此后，工业级钻石的合成技术得到广泛应用，目前几乎三分之二的工业用钻已由合成钻石替代了。但直到1970年宝石级大颗

4、粒的钻石才由美国通用电气公司合成成功。经过近三十年的努力，目前已能获得十几克拉大的晶体，但宝石级钻石合成的成本仍然很高，不能进行大批量的生产。2000年合成的可切磨的合成钻石只有3500ct，仅占当年天然宝石级钻石产量的0.01%。  到二十世纪九十年代，采用化学气相沉淀法（CVD）合成钻石薄膜，在固相基片如种晶上沉积形成金刚石单晶薄膜或多晶质薄膜，获得的工业用途的多晶金刚石薄膜。2003年，美国阿波罗公司合成出达到宝石级单晶，并开始商业性生产。最近有据报道说，美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室的研究人员已能用CVD非常快速地生产出很大的钻石。他

5、们用CVD快速(100μm/h)生产出了10ct、半英寸厚的单晶钻石,差不多有5倍于用一般高压高温合成方法和其它CVD方法商业性生产的钻石。他们还用这种方法生产出了从紫外到红外都是透明的无色单晶钻石。有几个小组已开始用CVD生产钻石单晶,但生产大的无色和无瑕的钻石单晶体始终是个难题。2004年,卡内基的研究人员发现,高压高温热处理不仅能优化CVD钻石的光学性质,而且能提高其硬度。采用新技术后,现今他们已能够用CVD生产出透明的钻石而不再需要高压高温热处理。为了进一步加大合成钻石晶体的尺寸,他们用CVD顺序地在钻石基片的6个面上生长宝石级钻石。他们宣

6、称,用这种方法能够实现英寸级(约300ct)无色钻石单晶的三维生长。1.合成钻石的技术方法2.1.高温高压种晶触媒法合成钻石钻石和石墨是碳的两种同质多像的变体。在常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，钻石只有在高温高压下才是最稳定的，在高温高压下，石墨的中的碳原子会重新按钻石的结构排列，而形成钻石。合成钻石的方法主要分静压法、动压法和低压法5（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（4500-9000）X109Pa的压力，以电流加热到1000-2000℃的高温，利用金属触媒实现石墨向钻石的转化。   

7、 宝石级合成钻石也是采用的静压法，但加入了种晶，所以又称为晶种触媒法。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，并且，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，所以成本比合成工业钻砂高得多。2.2.化学气相沉淀法(CVD)合成钻石2.2.1.基本原理这种方法是在钻石的亚稳

8、定区，用加热、放电等方法激活碳基气体（如甲烷），使之离解出碳原子和氢原子（或甲基CH3和氢原子），碳原子形成钻石。合成的条