钻石合成器

在英国女王伊丽莎白二世的灵柩和葬礼上，帝国王冠占据了舞台的中心。在她的棺材顶上，不知怎的，它看起来比她戴着的时候更加庄严。钻石是这顶皇冠上的主要宝石——它拥有317.4克拉的垫形切割卡利南II和2868颗较小的钻石。正是这些，或者更确切地说是从它们折射出来的大量光线，赋予了这顶王冠独特的光芒。如此之多，这顶王冠很难近距离观察，因为它真的令人眼花缭乱。

库里南二世钻石是迄今为止发现的最大原钻切割而成的九颗大型宝石之一。这颗拳头大小的原钻于1905年在南非比勒陀利亚附近被发现。然而，它的旅程早在那之前就开始了。钻石据信形成于10亿至30亿年前，在地表以下100公里或更远的地方。这个深度的热量，加上上面岩石重量的压力，创造了一个完美的极端环境，让碳原子自己排列成钻石晶格。在一种罕见的火山喷发中，钻石以金伯利岩岩浆的形式出现在地表。

钻石的稀有性在历史上造就了它们的吸引力，但在20世纪50年代，科学家们开始了一场缓慢发展的革命，彻底改变了钻石行业。如今，钻石通常是在实验室中生长的，其中大多数钻石都有工业用途，从锯片到先进计算机芯片的散热器，再到水净化。实验室培育的钻石也越来越多地被用作宝石。

真品

实验室培育的钻石才是货真价实的。不要将它们与人造钻石混淆，例如立方氧化锆。实验室培育的钻石和天然钻石都是面心立方晶体结构的碳晶体。

由于它们的化学组成和结构是相同的，人工合成的钻石宝石无法用肉眼与天然钻石区分开来。因此，用于宝石行业的实验室培育的钻石要么是在其外缘，要么是在其表面以下进行激光雕刻。美国WD Lab Grown Diamonds公司的首席技术官约翰·西拉尔多说:“作为消费者，除非你有显微镜来阅读激光铭文，否则你不会知道这颗钻石是实验室制造的。”

分析仪器可以用来确定钻石的来源。这些仪器寻找微量杂质的细微差异，这是由于与实验室相比，自然界中不同的生长环境造成的。“例如，所有钻石中都存在氮，但在高温下，温度、压力和地质时间尺度的差异导致氮在天然钻石晶格中融合的方式存在特征差异，这在实验室中无法再现。”这可以用光谱学技术很容易地检测到，”德国照明公司Lightbox的技术项目经理安吉洛·弗兰吉斯库(Angelo Frangeskou)解释说比尔斯集团公司从Element Six中获取实验室生长的钻石，也是戴比尔斯集团的一部分。

先天与后天

大多数在实验室里生长的钻石并不像你想象的那样。许多是微小的单晶钻石，根据它们的大小被称为钻石粉或钻石颗粒，或者是多晶钻石晶片。这种晶圆直径可达150毫米，由微小的互生晶体拼接而成。生产大型单晶钻石(如用于宝石的那种)的技术，在过去十年才真正起步。

正是由于钻石越来越多地用于工业用途，才导致戴比尔斯工业钻石公司(现在的Element Six)、通用电气公司和其他公司于20世纪50年代首次在实验室里试验种植钻石。在此之前，所有的钻石都是天然宝石，包括工业上使用的钻石。

实验室培育的钻石并不便宜，但它们比天然钻石更实惠

几十年来，技术不断发展，钻石现在可以在实验室中持续大规模生长，达到严格的规格。Element Six全球创新中心的首席应用工程师蒂姆·莫拉特(Tim Mollart)说，对于许多工业应用来说，“你必须从数百万颗天然钻石中挑选出来，但你仍然找不到一颗性能像我们常规生产的那样好的钻石。哈维尔,英国。

对于宝石买家来说，在选择实验室培育的钻石时，成本是一个关键考虑因素。它们并不便宜，但比天然钻石更实惠。与采矿相关的环境问题也是一些消费者考虑的因素之一。然而，应该指出的是，在实验室里培育钻石仍然是一项非常耗能的活动。

增长之所以重要

人造钻石有两种不同的生长方式:20世纪50年代发展起来的高压高温(HPHT)技术和20世纪80年代发展起来的化学气相沉积(CVD)方法。

HPHT是最接近模拟自然界中发生的过程的方法，它被用于生产大型单晶钻石、钻石粉和钻石砂。微小的钻石种子(直径不到一毫米)，石墨(碳源)和熔融的金属催化剂被放置在一个大约烤豆罐大小的金属胶囊中。Mollart说:“你把你的预合成和所有东西都放在这个小罐子里，用一个陶瓷毯子包好，然后把它放进印刷机里。”压力机将胶囊置于1300°C以上的温度和约55,000个大气压(5.5GPa)的压力下。在这些极端的条件下，石墨溶解在熔化的金属中，并通过它迁移到较冷的金刚石种子，在其表面结晶。

CVD可以从含有氢和碳自由基的等离子体中生长金刚石，并用于生产大型单晶金刚石和多晶金刚石晶片。种子被放置在CVD室中，在主要含有甲烷和氢气的混合物被泵入之前，该室被清空。然后，微波将气体转化为等离子体，甲基自由基沉积在种子表面，使钻石慢慢生长。对于单晶钻石，种子是非常薄的长条，为最终的钻石提供了足迹。Ciraldo解释说:“CVD金刚石的挑战是找到所有变量的正确平衡，如温度、压力、功率和气体化学，同时保持等离子体和金刚石生长表面之间的良好界面。”同时，多晶金刚石晶圆是由微小的金刚石种子晶体撒在硅、金属、陶瓷或其他专有表面上生长而成的。

HPHT和CVD生长一颗钻石所需的时间相似，根据所生长晶体的大小，需要几分钟到数百小时不等。然后，这些钻石被切割和加工成所需的形状和大小。

又硬又酷

钻石是地球上最坚硬的物质，正是这种特性首次被用于工业开发。几十年来，金刚石粉和金刚石砂已广泛用于工业规模的切割、研磨和抛光。花岗岩台面和手机边缘是当今许多日常用品中使用钻石进行常规抛光和加工的。

一些工业钻头也有多晶金刚石外层。Mollart说:“20世纪90年代，在石油和天然气行业，金刚石取代了碳化钨，同样的情况也开始发生在采矿和开采行业。”如今，单晶钻石和多晶钻石晶片也被常规用于精密切割，包括作为活体组织检查和眼科手术的手术刀片。

金刚石还是一种优良的热导体。它在室温下的热导率是最好的金属的六倍以上。钻石宝石通常被称为冰，但这是一种常见的误解，因为它们在视觉上像冰晶，Ciraldo解释说。“实际上，这是因为如果你手里拿着一把钻石，你会觉得自己拿着的是冰。它们能有效地把你手上的热量带走，摸起来感觉很冷。”

这种特性被半导体行业广泛利用，作为陶瓷的替代品，如氮化铝，以有效地冷却硅。对于这些应用，通常使用多晶金刚石晶片，因为它们可以生长得更大，而且比单晶金刚石便宜，英国布里斯托尔大学物理学教授、元素6的长期合作者马丁·库博尔解释说。“从热导率的角度来看，单晶钻石是最好的，因为它可以被制造得更无缺陷。但聚晶金刚石实际上是这类材料的绝佳散热材料。”

金刚石目前正被探索作为宽带隙半导体(如氮化镓)的热扩散剂。由这些下一代半导体制成的晶体管比硅制成的晶体管要小得多，功率密度也更高。这些下一代晶体管正在实现各种应用，从电动汽车的更快充电，到通过电信网络快速下载数字内容。它们还对减少碳排放的努力产生潜在影响。例如，对于电动汽车来说，从硅芯片转向氮化镓芯片将增加它们的续航里程和充电速度。Kuball目前正在开发晶体管，其中多晶金刚石层直接生长在CVD室的氮化镓层上。

金刚石本身也被认为是一种比氮化镓更好的半导体材料。金刚石是一种电绝缘体，但通过在其晶格中添加杂质，有可能扰乱其结构并增加其所含自由电子的数量。几十年来，这种掺杂过程一直被用于改变硅的导电性。Kuball对同时使用掺杂钻石的半导体和热导率特性特别感兴趣，因此不需要单独的散热器和半导体。

的钻石

硼和氮在元素周期表中位于碳的两侧，是掺杂钻石的明显候选杂质，英国华威大学的电化学研究员Julie MacPherson解释道，她也与六号元素合作。天然宝石可能含有微量的这两种元素，氮使钻石呈黄色，硼呈蓝色。这颗价值45克拉的“希望钻石”原产于印度，现藏于美国华盛顿国家自然历史博物馆，是后者最著名的例子。

这个过程只需要1000个碳原子中有一个被硼原子取代

麦弗森说，对于半导体来说，掺硼钻石被用于制造p型半导体，因为“与碳相比，硼缺乏一个电子。”多晶掺硼金刚石通常是通过在金刚石生长过程中向CVD室中泵入的气体混合物中加入硼基气体来生产的。

如果加入足够多的硼，聚晶金刚石就不再是半导体，而是变成了类似金属的导电体。麦克弗森解释说:“这个过程只需要1000个碳原子中有一个被硼取代。”导电金刚石呈黑色而非蓝色，被广泛用作电化学传感器电极。钻石的强度和化学惰性在掺杂时被保留，这意味着它可以用于具有挑战性的环境，如核反应堆，长期环境监测和可以放在皮肤上的传感器。

电解水是掺硼金刚石电极的另一种应用。钻石的表面特性可以调节，以控制水是否被氧化形成臭氧或羟基离子。这种产生臭氧的方法已经存在了大约10年，用于消毒制冰机和快餐生产线，最近用于消费消毒喷雾。美国臭氧技术公司Enozo Technologies与Element Six共同开发了后者。瓶子的水箱和喷嘴之间有一个电化学电池。麦克弗森说:“当你按下按钮时，你就打开了阳极的氧化电位，氧化电位高到足以分解水，并产生溶解在水中的臭氧，臭氧将从瓶子中喷射出来。”Mollart补充说:“它是水中2ppm的臭氧，是一种很棒的消毒剂。”

掺硼金刚石电极目前正在探索用于分解饮用水中所谓的“永久化学物质”。越来越多的证据表明，饮用水中这些用于制造不粘剂和耐污渍产品的多氟烷基物质(PFAS)含量低，对人体健康有害。它们的耐久性可以防止目前的水处理方法破坏它们。Mollart说:“美国环境保护署(US Environmental Protection Agency)说，用金刚石进行电化学氧化是潜在的解决方案之一。”对于这些应用，金刚石表面被设计成产生羟基自由基，然后分解这些强大的有机污染物。

钻石恒久远

尽管人造钻石的工业用途已经种植了几十年，但种植钻石宝石的想法直到最近才开始流行起来。弗朗格斯库说，实验室培育的钻石宝石“已经存在了很长一段时间，但在2015年，你才真正开始看到它们被大规模生产，所以这感觉像是一个小众产品到成为无处不在的主流珠宝产品之间的转折点。”

钻石宝石的生长同时使用高温高压和化学气相沉积技术。为了去除生长过程中可能残留的任何多余的颜色，一些cvd生长的钻石在生长后放置在HPHT压机中进行退火，并去除任何可能影响颜色的缺陷。

钻石的生长过程既不容易也不迅速

有两种方法来创造蓝色钻石宝石。它们可以掺杂硼，使用与半导体和电化学工业相同的方法。或者用高能亚原子粒子轰击金刚石晶格，在生长后引入微量的空位。要制造粉红钻石，需要氮掺杂和生长后退火和辐照。

无论钻石的类型、大小和颜色如何，钻石的生长过程既不容易也不快速。这就是为什么实验室培育的钻石不是廉价商品。然而，库博尔热衷于强调，在工业应用中，人造钻石——尤其是多晶金刚石晶片——并不像人们倾向于认为的那样昂贵。麦克弗森对此表示同意，他说:“很多人都没有意识到你可以大规模种植它，并从那个大晶圆上切下很多很多小电极。”Mollart补充说:“拥有成本也可以很低。”他的意思是，由于钻石非常耐用，它们通常比不那么耐用的竞争对手使用的时间更长。

要改变这种对人造钻石定价的误解，也许需要一些类似于“一颗钻石恒久远”口号的精彩广告。毕竟，这句自1948年以来一直被戴比尔斯使用的口号被广泛认为是天然钻石行业的革命，并将钻石推向远高于其他任何类型宝石的地位。

妮娜·诺特曼，英国索尔兹伯里科普作家

感谢Tim Mollart，Daniel Twitchen和加布里埃尔sciarone在元素六全球创新中心的参观英国德