河南培育钻石亮眼世界，谈谈到底培育一颗钻石有多难呢？

互推小编 2023-04-27

河南培育钻石一不小心就做到了世界闻名，那么培育钻石技术到底有多难呢？为什么直到现在培育钻石才大行其道呢？我是东城观星，继续聊聊培育钻石的话题。

一、培育钻石

中国河南培育钻石产量达到世界培育钻石产量的近一半，品质水平世界领先，一下子让培育钻石的技术成为了大众关注的焦点。其实早在上世纪五十年代，世界上就成功完成了人工合成金刚石的技术。但是一般金刚石并不能被称为钻石，一般认为颗粒直径达到1毫米以上，且品质达到一定水平的金刚石才能被称为钻石。所以真正意义上人工合成钻石是在上世纪六七十年代，值得一提的是1971年，美国的GE公司使用高压高温温度差法，首次制备出了1克拉的钻石，颗粒直径达到5毫米。这个技术也就是现在河南柘城县钻石培育产业的主要技术，英文缩写HPHT。

其实人造宝石由来已久，尤其是人造红宝石蓝宝石这样的宝石，已经形成了非常成熟的产业。理论上所有的宝石都可以通过化学方法合成，尤其是绝大多数的宝石化学成分还非常简单，比如红宝石和蓝宝石的主要成分是氧化铝，钻石的主要成分是碳，绿宝石的主要成分是铍和铝的硅酸盐。既然是简单的化学成分，那通过化学方法来合成应该不难。比较难合成的应该还是玉石和珍珠这些复杂成分的。但是在所有宝石里面，钻石的合成是最难的，钻石合成工艺比其他宝石复杂，合成成本也高，早些年合成的那些钻石，生产成本甚至比天然钻石的售价还要高很多。

现在合成钻石的方法主要有两种，一种是HPHT法，也叫高压高温法，还有一种是CVD法，也叫化学气相沉积法。这两种方法，听起来好像不难，实际操作起来门道可是不少。

二、高压高温法

这种方法更严格的叫法应该是高压高温温度差法，因为实际操作中并不仅仅是需要一个高温高压的环境，还需要很巧妙的设计反应过程。理论上，金刚石和石墨都是由碳构成的，高温高压下石墨可以转化成金刚石。但是真正把石墨放到合适的高温高压下，它也不会乖乖地变成钻石的，就算能变成金刚石，也是掺杂着石墨的金刚石，完全达不到宝石级别的钻石水平。要想让石墨变成钻石，就需要设计一个非常严格的钻石生长环境，拿一颗很小的钻石颗粒作为种子，让钻石在种子的基础上慢慢长起来，而不是一下子就合成了，所以我们把它们称为培育钻石而不是人造钻石。

实际的合成环境除了55-60个大气压的压强环境和1300-1500℃的高温环境以外，还需要有高温溶剂和温度梯度。通俗点说，就是把铁钴镍这类金属熔化成铁水，铁水把原材料和钻石种子分开，通过设备的温度控制让原料这边温度高一些，种子那边温度低一些。石墨中的碳会在高温下溶解到铁水里面，然后慢慢游到种子那边，种子那边的温度低，碳就会从铁水里面出来长到钻石种子的表面，让钻石种子长大。这个过程缓慢而持续，钻石种子越长越大，最终变成一个大钻石。

这还只是合成原理，实际的合成工艺还需要对设备、反应条件和原材料进行严格的把关，稍有不慎生产出来的钻石都会不合格。就拿设备来说，就有分裂球式压机、两面顶压机、六面顶压机等多种类型。中国国产的铰链式六面顶压机具有生产成本低、生产效率高、质量重复性好等优点，为中国低成本批量化生产培育钻石奠定了良好的基础。

再说原材料，可不是随便拿点什么石墨就可以生产钻石了。用来生产钻石的原材料必须纯度足够高，不是所有的石墨都能满足的。往往使用纯度很高的金刚石粉，或者专门用来生产钻石的高纯度石墨来做原料。石墨中的杂质成分很有可能造成最终生产出来的钻石质量不符合要求。比如早期的合成钻石往往都是带有颜色的，比如黑色、灰色、黄色等等，这些颜色的存在会影响钻石的品级，也影响钻石的美观。比如黄色是由于原料中含有少量的氮元素造成的，而几乎所有的原料中都不太可能完全不含氮元素，为了制备高品质无色的钻石，就需要添加特殊的成分清除原料中的氮元素，避免氮元素进入最终的钻石中。当然，为了获得特殊颜色的彩色钻石，还需要精准控制杂质元素的含量，只有杂质控制好才能获得理想色泽的钻石，这些工艺的实现都是非常困难的。

早先的培育钻石之所以成本高，除了工艺水平不够成熟以外，产品的优良率不高也是很重要的。就像芯片产业一样，产品的优良率越高，生产出来的合格产品越多，生产成本就约低。所以，就算你能买到生产钻石的设备，如果没有掌握严格的生产工艺，也很难生产出合格的钻石出来，想挣钱并不容易。

三、化学气相沉积法

这种方法简单点说，就是让高温的甲烷气体和氢气混合，在高温条件下，甲烷气体会发生分解，把碳沉积到物体的表面。不知道大家听没听说过蜡烛燃烧产生的烟雾里面有大量的微型金刚石，其实就是含碳的石蜡在高温下分解产生碳沉积形成的微型金刚石。

如果我们让钻石当种子，高温甲烷气体会优先把碳沉积到钻石表面，让钻石不断长大，最终合成需要的钻石。之所以要加氢气，就是因为在相对低压的环境下，碳沉积成石墨比沉积成金刚石更容易，我们当然不希望合成了半天得到一堆石墨了。在对应的环境中，氢气可以把石墨给反应掉，给钻石的生产创造更清洁的环境。

这种方法不需要高压的环境，可以提供更大的容器来进行反应，也就是可以制造出更大的钻石出来，比如德国一所大学用这种方法合成出了155克拉的金刚石。但是这种方法因为难免会有一些石墨去除不干净，被包裹在钻石内部。生产出来的钻石比第一种方法生产出来的钻石颜色较差、结晶存在较多缺陷，也就是品质相对比较差。所以我们上一次介绍培育钻石的时候说，印度培育的钻石品质不如中国的钻石。但是，气相沉积法培育的钻石从成分上来说净度是高于高压高温法的，两种方法各有优缺点。

四、哪种方法更好？

目前来说中国主要使用高压高温的方法，而印度、美国等国家主要使用化学气相沉积法。虽然中国的方法获得的产品质量更好，但生产出来的钻石相对比较小，要想生产更大的钻石还是要通过化学气相沉积法。目前来说，世界范围内，人工培育钻石的研究主要集中在化学气相沉积法上，这是非常有前途的一种方法。

需要说一点的是，未来半导体行业发展需要大量的金刚石半导体，这类半导体需要金刚石的晶圆。要想生产金刚石晶圆的话，高压高温法是无能为力的，化学气相沉积法是必然的选择。

另外，不同方法生产出来的产品质量不一样，孰优孰劣是相对的。一般来说高压高温的方法得到的产品质量更高，但化学气相沉积法经过适当的优化也可以得到理想的钻石。比如，钻石巨头戴比尔斯的CVD培育钻石，品质还是很好的，已经广泛应用到消费市场上了。并不是都像印度企业那样生产出来的钻石颜色质量差。