合成鑽石: 真正的稀有，如果我們可以在實驗室製造鑽石，它們還珍貴嗎？

By Fouad Sabry

什麼是合成鑽石

實驗室培育鑽石是通過製造過程生產的鑽石，與通過地質過程製造並通過採礦提取的天然鑽石形成對比。

您將如何受益

(I) 關於以下主題的見解和驗證：

第 1 章：合成鑽石

第 2 章：爆轟納米金剛石

第 3 章：鑽石中的晶體缺陷

第 4 章：鑽石（寶石）

第 5 章：鑽石

第 6 章：寶石

第 7 章：材料科學

（二）回答公眾關於合成鑽石的熱門問題。

(III) 合成金剛石在多個領域的應用實例。

(IV) 17個附錄，簡述各行業266項新興技術，360度全方位了解人造金剛石技術。

本書的讀者對象

專業人士、本科生和研究生、愛好者、業餘愛好者以及想要超越任何合成鑽石的基本知識或信息的人。

• Language: 中文
• Publisher: 十億個知識淵博 [Chinese (Traditional)]
• Release date: Jan 27, 2022

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2 - 脈衝爆震發動機

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32 - 超材料

33 - 金屬泡沫

34 - 多功能結構

35 - 納米材料

36 - 可程式設計物質

37 - 量子點

38 - 矽烯

39 - 高溫合金

40 - 合成鑽石

41 - 時間晶體

42 - 半透明混凝土

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44 - 群體智慧

作者系列

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2 - 封閉的生態系統

3 - 養殖肉

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自主事物中的新興技術

1 - 自動駕駛車輛

2 - 自主無人機

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7 - 富勒烯

8 - 石墨烯

9 - 晶元實驗室

10 - 高溫超導

11 - 磁性納米顆粒

12 - 磁流變液

13 - 微流體

14 - 超流動性

15 - 超材料

16 - 金屬泡沫

17 - 多功能結構

18 - 納米材料

19 - 可程式設計物質

20 - 量子點

21 - 矽烯

22 - 高溫合金

23 - 人造金剛石

24 - 時間晶體

25 - 半透明混凝土

神經科學中的新興技術

1 - 腦機介面

機器人技術的新興技術

1 - 群體智慧

10億知識淵博

人造金剛石

真正的鑽石是罕見的，如果我們能在實驗室里製造它們，鑽石還有珍貴嗎？

福阿德·薩布里

版權

合成鑽石版權所有 © 2021 由 Fouad Sabry 提供。保留所有權利。

保留所有權利。未經作者書面許可，不得以任何形式或任何電子或機械手段（包括資訊存儲和檢索系統）複製本書的任何部分。唯一的例外是審稿人，他們可能會在評論中引用簡短的摘錄。

封面由Fouad Sabry設計。

這本書是一部虛構的作品。名稱、人物、地點和事件要麼是作者想像的產物，要麼是虛構使用的。任何與真實人物的相似之處，無論是活著的還是死去的，事件或地點都是完全巧合。

獎金

您可以向 [e-mail] 發送一封電子郵件，主題為合成鑽石：真正的鑽石是罕見的，如果我們能在實驗室里製造它們，鑽石仍然珍貴嗎？，您將收到一封電子郵件，其中包含本書的前幾章。

福阿德·薩布里

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前言

我為什麼要寫這本書？

寫這本書的故事始於1989年，當時我是高級中學的學生。

它非常類似於STEM（科學，技術，工程和數學）學校，現在在許多發達國家都可以使用。

STEM是一門課程，其基礎是以跨學科和應用的方法教育四個特定學科（科學，技術，工程和數學）的學生。該術語通常用於解決學校的教育政策或課程選擇。它對勞動力發展、國家安全關切和移民政策都有影響。

圖書館每周都有一堂課，每個學生都可以自由選擇任何書籍並閱讀1小時。該課程的目的是鼓勵學生閱讀教育課程以外的科目。

在圖書館里，當我看著書架上的書時，我注意到了巨大的書，總共5000頁，分為5個部分。書名是《技術百科全書》，它描述了我們周圍的一切，從絕對零到半導體，幾乎每一種技術，在那個時候，都是用彩色插圖和簡單的文字來解釋的。我開始閱讀百科全書，當然，我無法在每周1小時的課程中完成它。

所以，我說服父親買了這本百科全書。我父親在我生命之初為我購買了所有的技術工具，第一台計算機和第一本技術百科全書，兩者都對我自己和我的事業產生了很大的影響。

我在今年的同一個暑假里完成了整本百科全書，然後我開始看到宇宙是如何運作的，以及如何將這些知識應用於日常問題。

我對這項技術的熱情始於30年前，現在的旅程仍在繼續。

這本書是新興技術百科全書的一部分，我試圖給讀者帶來我在高中時的驚人體驗，但我對21世紀的新興技術，應用和行業解決方案更感興趣，而不是 20世紀的技術。

《新興技術百科全書》將由365本書組成，每本書將專注於一項新興技術。您可以在本書末尾的即將推出部分閱讀新興技術及其按行業分類的清單。

365本書，讓讀者有機會在一年內每天增加對一項新興技術的知識。

介紹

我是怎麼寫這本書的？

在每本《新興技術百科全書》中，我都試圖直接從人們的腦海中獲得即時的原始搜索見解，試圖回答他們關於新興技術的問題。

每天有30億次谷歌搜索，其中20%以前從未見過。它們就像是人們思想的直接線。

有時是「如何清除卡紙」。其他時候，這是他們唯一敢與谷歌分享的痛苦恐懼和秘密渴望。

在我追求發現關於合成鑽石的內容創意的未開發金礦的過程中，我使用許多工具來收聽來自Google等搜尋引擎的自動完成數據，然後快速製作出每個有用的短語和問題，人們圍繞著關鍵字合成鑽石提問。

它是人們洞察的金礦，我可以用它來創造新鮮、超有用的內容、產品和服務。善良的人，像你一樣，真的想要。

人搜索是有史以來收集到的關於人類心理的最重要的數據集。因此，這本書是一個活生生的產品，並且不斷更新越來越多的關於合成鑽石的新問題的答案，人們問，就像你我一樣，想知道這個新興技術，並希望瞭解更多有關它的資訊。

寫這本書的方法是更深入地了解人們如何圍繞合成鑽石進行搜索，揭示我不一定會想到的問題和疑問，並用超級簡單易懂的單詞回答這些問題，並以直接的方式流覽這本書。

因此，在寫這本書時，我確保它盡可能地優化和有針對性。本書的目的是幫助人們進一步瞭解和增加他們對合成鑽石的瞭解。我試圖盡可能密切地回答人們的問題，並展示更多。

這是一種奇妙的，美麗的方式，可以探索人們有的問題和問題並直接回答它們，併為書的內容添加洞察力，驗證和創造力 - 甚至是推銷和建議。這本書揭示了豐富的，不那麼擁擠的，有時令人驚訝的研究需求領域，否則我將無法觸及。毫無疑問，在使用這種方法閱讀本書后，有望增加潛在讀者的思想知識。

我採用了一種獨特的方法，使本書的內容始終保持新鮮。這種方法取決於通過使用搜索傾聽工具來傾聽人們的思想。這種方法説明我：

準確地與讀者見面，這樣我就可以創建相關的內容，引起共鳴，並推動對主題的更多理解。

保持我的手指緊緊抓住脈搏，這樣當人們以新的方式談論這項新興技術時，我就可以獲得更新，並監控隨時間的變化趨勢。

發現隱藏的問題寶藏需要有關新興技術的答案，以發現意想不到的見解和隱藏的利基，從而提高內容的相關性並賦予其勝利優勢。

不要再把時間浪費在直覺上，不要猜測讀者想要的內容，用人們需要的東西填滿書的內容，告別基於猜測的無窮無盡的內容創意。

做出可靠的決策，減少風險，讓前排座位即時瞭解人們想要閱讀和想知道的內容，並使用搜索數據做出大膽的決定，包括哪些主題和要排除哪些主題。

簡化我的內容製作以識別內容創意，而無需手動篩選個人意見，從而節省數天甚至數周的時間。

通過回答他們的問題，幫助人們以直接的方式增加他們的知識，這真是太好了。

我認為這本書的寫作方法是獨一無二的，因為它整理並跟蹤讀者在搜尋引擎上提出的重要問題。

確認

寫一本書比我想像的更難，比我想像的更有收穫。如果沒有著名研究人員完成的工作，這一切都是不可能的，我要感謝他們為增加公眾對這項新興技術的瞭解所做的努力。

奉獻

對於開悟者，那些看待事物不同，並希望世界變得更好的人 - 他們不喜歡現狀或現有狀態。你可以過多地不同意他們，你可以與他們爭論得更多，但你不能忽視他們，你不能低估他們，因為他們總是會改變事情......他們推動人類前進，雖然有些人可能認為他們是瘋狂的人或業餘愛好者，但其他人認為天才和創新者，因為那些足夠開明的人認為他們可以改變世界，是那些這樣做的人，並帶領人們走向啟蒙。

碑文

實驗室製造鑽石是通過製造過程生產的鑽石，與地質過程產生並通過採礦提取的天然鑽石形成對比。

目錄

人造金剛石

作者的其他書籍

作者系列

人造金剛石

版權

獎金

前言

介紹

確認

奉獻

碑文

目錄

第 1 章 合成金剛石

第2章 引爆納米金剛石

第 3 章：金剛石中的晶體學缺陷

第 4 章：鑽石（寶石）

第 5 章 鑽石

第6章 寶石

第7章 材料科學

結語

關於作者

即將推出

附錄：各行業的新興技術

第 1 章 合成金剛石

Six non-faceted diamond crystals of 2–3 mm size; the diamond colors are yellow, green-yellow, green-blue, light-blue, light-blue and dark blue

採用高壓高溫技術生長的各種顏色的合成鑽石

實驗室製造鑽石（也稱為合成鑽石、實驗室製造的鑽石、人造鑽石、人造鑽石或培養鑽石）是通過製造過程製造的鑽石，而天然鑽石則是通過地質過程製造並通過採礦提取的。

實驗室製造鑽石在化學和物理上與天然鑽石相同。它們不應與由非金剛石材料製成的金剛石仿品混淆。天然鑽石由與實驗室製造鑽石相同的物質製成：以各向同性 3D 形式結晶的純碳。

鑽石合成的嘗試可以追溯到二十世紀之交。在 1879 年至 1928 年間，許多科學家聲稱自己製造了鑽石，但沒有一顆鑽石得到證實。20 世紀 40 年代，美國、瑞典和蘇聯開始了對鑽石生長的系統研究，最終在 1953 年首次可重複合成鑽石。

美國、瑞典和蘇聯的這種早期金剛石合成研究導致了CVD金剛石（化學氣相沉積）和HPHT 金剛石（高壓 高溫）方法的發展。這兩種程式繼續主導著合成鑽石 的生產， 但研究人員已經確定了第三種和第四種鑽石合成方式。在 20 世紀 90 年代後期，第三種工藝，即爆破合成，進入了鑽石市場。在此過程中，含碳炸藥的爆炸會產生納米級的金剛石顆粒。科學家們還展示了第四種鑽石生產技術，使用高功率超聲波處理石墨，但這種工藝目前在商業上並不可行。

人造金剛石的性能取決於製造工藝。然而，一些合成鑽石（無論是由高溫高壓（HPHT）還是CVD形成）具有硬度、導熱性和電子遷移率等特性，優於大多數天然形成的鑽石。人造金剛石廣泛用於磨料、切割和拋光工具以及散熱器。人造金剛石的電子應用正在開發中，包括發電站的高功率開關、高頻場效應晶體管和發光二極管。紫外（UV）光或高能粒子的人造金剛石探測器用於高能研究設施，並可用於商業用途。由於其熱穩定性和化學穩定性、低熱膨脹率和寬光譜範圍內的高光學透明度的獨特組合，人造金剛石正成為高功率CO2 鐳射器和陀螺儀中光學視窗最受歡迎的材料。據估計，98%的工業級鑽石需求是用合成鑽石提供的。

美國聯邦貿易委員會（Federal Trade Commission）表示，實驗室製造、實驗室製造和[製造商名稱]創造這些術語將更清楚地解釋寶石的性質。CVD 和高溫高壓鑽石都可以切磨成寶石，並有各種顏色可供選擇，包括透明白色、黃色、棕色、藍色、綠色、粉紅色和橙色。合成珠寶進入市場引起了鑽石貿易行業的重大擔憂 ，促使人們發展了區分合成鑽石和真鑽石的專用光譜設備和程式。

歷史

A person standing next to a machine Description automatically generated with low confidence

Moissan 試圖使用電弧爐製造合成鑽石

在 1797 年發現鑽石是純碳之後，人們進行了許多嘗試，將各種廉價形式的碳轉化為鑽石。最早的成功是由James Ballantyne Hannay在1879年和Ferdinand Frédéric Henri Moissan在1893年報導的。他們的方法涉及在高達3500°C的溫度下用鐵在爐子中的碳坩埚中加熱木炭。Hannay使用火焰加熱管，而Moissan則使用了他新開發的電弧爐，其中在石灰塊內的碳棒之間擊中了電弧。然後將鐵水浸入水中快速冷卻。冷卻產生的收縮據說會產生將石墨轉化為金剛石所需的高壓。莫伊桑在19世紀90年代的一系列文章中發表了他的作品。

許多其他科學家試圖複製他的發現。1909年，威廉·克魯克斯爵士宣布勝利。奧托·拉夫（Otto Ruff）聲稱在1917年創造了直徑達7毫米的鑽石，但後來放棄了他的主張。麥克弗森學院的 J Willard Hershey 博士於 1926 年複製了 Moissan 和 Ruff 的作品，產生了一顆合成鑽石，現在 在堪薩斯州的麥克弗森博物館展出。儘管有Moissan，Ruff和Hershey的斷言，但其他研究人員無法複製他們的合成。

查理斯·阿爾傑農·帕森斯爵士進行了最明確的複製嘗試。作為一名著名的科學家和工程師，他以發明蒸汽輪機而聞名，他花了40多年的時間（1882-1922）和很大一部分資金試圖複製Moissan和Hannay的研究，但也調整了自己的程式。帕森斯以其一絲不苟的精確方法和有條不紊的記錄保存而聞名。他所有的最終樣本都被保存下來進行獨立分析。他發表了許多文章，其中一些是關於高溫高壓鑽石的首批文章之一，他在其中聲稱自己創造了微小的鑽石。然而，在 1928 年，他允許 H. Desch .C 博士印刷一篇文章，他在文章中宣稱，到目前為止，還沒有人造鑽石（包括 Moissan 和其他人的合成鑽石）。他提出，到那時為止創造的大多數鑽石很可能是人造尖晶石。

海星

A picture containing text Description automatically generated

ASEA 1953 年推出的第一顆合成鑽石

1953 年 2 月 16 日，瑞典主要的電氣設備製造公司 ASEA （Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget） 在斯德哥爾摩實現了第一個已知（但最初未報導）鑽石合成。從 1942 年開始，ASEA 雇傭了一個由五名科學家和工程師組成的團隊，作為代號為 QUINTUS 的絕密鑽石製造專案的一部分。該團隊使用了由Baltzar von Platen和Anders Kämpe設計的笨重的分體球裝置。設備內的壓力保持在估計的8.4 GPa和2400°C的溫度一小時。生產了一些小鑽石，但不是寶石品質或尺寸的鑽石。

ASEA 董事會決定不進行公開和專利申請，因為對專利過程感到擔憂，並且合理地認為全球沒有其他實質性的鑽石合成研究。因此，ASEA的結果在1955年2月15日的GE新聞發佈會后立即公佈。

GE鑽石專案

A 3-meter tall press

20世紀80年代由神鋼公司生產的帶式壓力機

1941年，通用電氣 （GE）、諾頓和碳化硼公司達成協定，進一步開發金剛石合成。他們能夠在3.5千兆帕斯卡（510，000 psi）的壓力下將碳加熱到約3，000°C（5，430°F）幾秒鐘。此後不久，第二次世界大戰中斷了該專案。它於1951年在GE的斯克內克塔迪實驗室恢復，並與Francis P. Bundy和H.M. Strong組成了一個高壓鑽石組。Tracy Hall和其他人後來加入了這個專案。

斯克內克塔迪小組改進了珀西·布裡奇曼發明的鐵砧，後者因其努力而於1946年獲得諾貝爾獎。最初的增強功能是由Bundy和Strong進行的，後來更多的是由Hall進行的。GE團隊在液壓機內使用碳化鎢鐵砧粉碎了貓石容器中含有的碳質材料，並將完成的砂礫從容器中推出到墊圈中。研究人員有一次記錄了鑽石的合成，但由於合成情況未知，實驗無法複製，鑽石最終被證明是用作種子的天然鑽石。

Hall於 1954 年 12 月 16 日實現了第一次商業上成功的鑽石合成，並於 1955 年 2 月 15 日宣佈。他的突破是使用帶式壓力機，該壓力機能夠產生高於10 GPa（1，500，000 psi）的壓力和高於2，000°C（3，630°F）的溫度。印刷機使用了一個葉蠟石容器，其中石墨溶解在熔融的鎳，鈷或鐵中。這些金屬充當「溶劑催化劑」，既溶解了碳，又加速了碳轉化為金剛石。他生產的最大鑽石直徑為0.15毫米（0.0059英寸）。它太小，對於珠寶來說視覺上不完美，但可用於工業磨料。霍爾的同事能夠複製他的工作，這一發現發表在主要期刊《 自然》上。他是第一個以可重複、可驗證且有據可查的工藝培育合成鑽石的人。他於1955年離開通用電氣，三年後開發了一種合成鑽石的新設備——一種帶有四個鐵砧的四面體壓力機——以避免違反美國商務部對GE專利申請的保密令。

進一步發展

A diamond scalpel consisting of a yellow diamond blade attached to a pen-shaped holder

帶單晶人造金剛石刀片的手術刀

GE於 1970 年首次開發出合成寶石級鑽石晶體，並於 1971 年公開報導。最初的成就是通過在兩端播種薄金剛石的葉蠟石管實現的。石墨進料位於中心，金屬溶劑（鎳）夾在石墨和種子之間。將容器加熱，壓力增加到5.5 GPa左右。晶體從中心流向管的末端時膨脹，並且延長過程導致更大的晶體。最初，經過為期一周的生長過程，生產出重量約為 5 毫米（1 克拉或 0.2 克）的寶石級寶石，工藝參數必須盡可能一致。石墨進料很快被金剛石砂礫所取代，因為它可以更好地控制最終的晶體結構。

由於氮污染，最初的寶石級寶石總是呈黃色至棕色。夾雜物很常見，特別是板狀鎳內含物。從工藝中去除所有氮氣並用鋁或鈦代替它會產生無色的白色石頭， 同時去除氮氣並用硼產生的藍色石頭代替它。由於除去氮氣會減慢生長過程並降低結晶品質，因此該技術通常在氮存在的情況下進行。

雖然GE寶石和天然鑽石在化學上是等效的，但它們不具有相同的物理品質。在短波長紫外光下，無色寶石發出螢光和磷光，但在長波紫外光下是惰性的。只有天然鑽石中較稀有的藍色寶石才具有這些品質。與真正的鑽石不同， 所有的 GE 寶石在X射線下都發出強烈的黃色螢光。出於研究原因，戴比爾斯鑽石研究實驗室已經種植了重達 25 克拉（5.0 克）的寶石。為了製造這種尺寸的高品質鑽石，高溫高壓（HPHT）條件穩定維持了六周。大多數合成鑽石在達到1克拉（200毫克）至1.5克拉（300毫克）的品質時，由於經濟原因而停止生長。

在 20 世紀 50 年代，蘇聯和美國開始研究在相對較低的 800 °C 溫度下通過熱解碳氫化合物氣體來生長鑽石。 這種低壓過程被稱為化學氣相沉積（CVD）。據報導，William G. Eversole 於 1953 年在鑽石基板上實現了鑽石的氣相沉積，但直到 1962 年才被報導。鑽石膠片沉積由安格斯及其同事於1968年獨立複製，由Deryagin和Fedoseev於1970年獨立複製。Eversole 和 Angus 使用大型、昂貴的單晶鑽石作為基板，而 Deryagin 和 Fedoseev 成功地在非鑽石材料（矽和金屬）上製造了鑽石薄膜，這導致了 20 世紀 80 年代對廉價鑽石塗層的大量研究。

自 2013 年以來，業內提供的鑲嵌珠寶和鑽石包裹中檢測到的未申報合成米粒鑽（通常用於鑲嵌主要鑽石或裝飾戒環的小圓形鑽石）數量有所增加。由於 米粒鑽的成本相對較低，而且相對缺乏正確識別大量米粒鑽的普遍專業知識，並非所有貿易商都 努力 測試米粒鑽，以正確確定它是天然的還是人造的。然而，世界各地的實驗室現在正在正面解決這個問題，合成近戰鑒定取得了實質性進展。

製造技術

有幾種方法可用於生產合成鑽石。原始方法使用高壓和高溫（HPHT），由於其成本相對較低，因此仍然被廣泛使用。該過程涉及大型壓力機，可重達數百噸，在1500°C下產生5 GPa的壓力。 第二種方法使用化學氣相沉積（CVD），在基板上產生碳等離子體，碳原子沉積在其上形成金剛石。其他方法包括爆炸形成（形成爆炸納米金剛石）和石墨溶液的超聲處理。

高壓、高溫

A schematic drawing of a vertical cross section through a press setup. The drawing illustrates how the central unit, held by dies on its sides, is vertically compressed by two anvils

帶式壓力機示意圖

在高溫高壓方法中，有三種主要的壓機設計用於提供生產人造金剛石所需的壓力和溫度：帶式壓機、立方壓機和分體球 （BARS） 壓機。鑽石種子被放置在壓榨機的底部。壓力機的內部部分被加熱到1400°C以上並熔化溶劑金屬。熔融金屬溶解高純度的碳源，然後將其輸送到小鑽石種子並沉澱，形成大的合成鑽石。

Tracy Hall最初的GE發明使用帶式壓力機，上下砧為圓柱形內室提供壓力負載。這種內部壓力由預應力鋼帶帶徑向約束。鐵砧還用作電極，為壓實的電池供電。皮帶壓力機的一個版本不是鋼帶，而是採用液壓來限制內部壓力。皮帶壓力機至今仍在使用，儘管規模比原始設計大得多。

立方壓力機是第二種類型的壓力機設計。立方體壓力機包含六個鐵砧，可同時向立方體形狀體積的所有側面施加壓力。四面體壓力機使用四個鐵砧收斂在四面體形狀的體積上，是第一個多砧壓機設計。不久之後，發明瞭立方壓力機，以增加可以施加壓力的體積。立方體壓榨機通常比帶式壓機小，可以達到更快地製造人造金剛石所需的壓力和溫度。然而，立方壓力機不能輕易地放大到更大的體積：通過使用更大的砧來增加加壓體積會增加砧上產生相同壓力所需的力。另一種選擇是使用更多的鐵砧收斂在高階柏拉圖固體（如十二面體）上，以減少壓縮體積的表面積與體積之比。然而，這種印刷機將是複雜和難以生產的。

A schematic drawing of a vertical cross-section through a BARS press: the synthesis capsule is surrounded by four tungsten carbide inner anvils. Those inner anvils are compressed by four outer steel anvils. The outer anvils are held a disk barrel and are immersed in oil. A rubber diaphragm is placed between the disk barrel and the outer anvils to prevent oil from leaking

酒吧系統原理圖

BARS設備據稱是所有金剛石生產壓力機中最緊湊，最高效，最經濟的。在BARS裝置的中心，有一個約2釐米³大小的陶瓷圓柱形合成膠囊。將電池放置在一個壓力傳遞材料立方體中，例如葉熱石陶瓷，由硬質合金（例如，碳化鎢或VK10硬質合金）製成的內砧壓。外部八面體腔由8個鋼外砧壓。安裝後，整個元件被鎖定在直徑約1米的圓盤式槍管中。機筒裝滿油，油在加熱時加壓，油壓傳遞到中央單元。合成膠囊通過同軸石墨加熱器加熱，並用熱電偶測量溫度。

化學氣相沉積

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獨立式單晶CVD金剛石盤

化學氣相沉積是一種從碳氫化合物氣體組合中生長金剛石的技術。自20世紀80年代初以來，這種方法一直是全球廣泛調查的焦點。雖然高品質金剛石晶體的批量生產使高溫高壓工藝成為工業應用的更好選擇，但CVD設置的靈活性和簡單性解釋了CVD在實驗室研究中日益增長的吸引力。CVD鑽石生長的好處包括：在大面積區域和各種基材上生長金剛石的能力，以及對化學雜質的精細控制，從而提高所生成金剛石的品質。與HPHT不同，CVD程式不需要高壓，因為生長通常發生在低於27 kPa的壓力下。

CVD生長涉及底物製備，將不同量的氣體送入腔室並使其通電。基底製備包括選擇合適的材料及其晶體取向;清潔它，通常用金剛石粉末磨損非金剛石基材;並通過一系列的試運行來優化生長過程中的基板溫度（約800°C）。氣體始終包括碳源，通常是甲烷和氫氣，典型比例為1：99。氫氣是必不可少的，因為它選擇性地蝕刻出非金剛石碳。氣體在生長室中使用微波功率，熱絲，電弧放電，焊槍，激光，電子束或其他方式電離成化學活性自由基。

在生長過程中，等離子體從腔室材料上蝕刻下來，然後可以將其摻入顯影鑽石中。特別是 CVD 金剛石， 經常被生長室的矽視窗或矽襯底發出的矽污染。結果，避免了矽窗或將其從基材上移開。礦室中含有硼的物質，即使微量極低，也不適合純鑽石的形成。

爆炸物的引爆

An image resembling a cluster of grape where the cluster consists of nearly spherical particles of 5-nm diameter

引爆納米金剛石的電子顯微鏡（TEM）

金剛石納米晶體（直徑5納米）可以通過在金屬室中引爆某些含碳炸藥來形成。這些納米晶體被稱為「爆破納米金剛石」。。在爆炸過程中，膛內的壓力和溫度變得足夠高，可以將炸藥的碳轉化為金剛石。浸入水中后，腔室在爆炸後迅速冷卻，抑制新生產的金剛石轉化為更穩定的石墨。在這種技術的變體中，將一個裝滿石墨粉的金屬管放置在爆破室中。爆炸加熱並壓縮石墨的程度足以將其轉化為金剛石。該產品始終富含石墨和其他非金剛石碳形式，並且需要在熱硝酸中長時間沸騰（在250°C下約1天）以溶解它們。回收的納米金剛石粉主要用於拋光應用。它主要在中國，俄羅斯和白俄羅斯生產，並在2000年代初開始批量進入市場。

超聲空化

超聲波空化可用於在大氣壓和室溫下從有機液體中的石墨懸浮液中產生微米級金剛石晶體。金剛石的產率約為初始石墨重量的10%。通過這一過程產生的鑽石的估計成本與通過高溫高壓方法生產的鑽石的成本相當;然而，對於超聲波合成，產物的結晶完美度要低得多。這項技術在設備和程式方面非常簡單，但它僅由兩個研究小組描述，沒有工業應用。許多工藝因素，如初始石墨粉的製備，超聲波功率的選擇，合成時間和溶劑，尚未調整，為超聲波合成的可能效率和成本降低留下了空間。

性能

傳統上，缺乏晶體缺陷被認為是鑽石最重要的屬性。鑽石因其純度和出色的晶體完美度而呈半透明和透明，而其硬度、光學分散（光澤）和化學穩定性（與行銷搭配時）使其成為一種受歡迎的寶石。對於技術應用，高導熱性也是必不可少的。雖然所有鑽石都具有很大的光學色散，但它們的其他品質因鑽石的生產方式而異。

結晶

金剛石可以是單個連續的金剛石，也可以是較小晶體（多晶）的集合。寶石通常是大而透明和透明的單晶鑽石。多晶金剛石（PCD）由幾種微觀晶粒組成，由於 顯著的光吸收和散射，人眼可以看到這些晶粒;它不適合金剛石，而是用於採礦和切削工具等工業應用。構成多晶金剛石的晶體的平均尺寸（或晶粒尺寸）經常用於定義它。金剛石的晶粒尺寸從納米到數百 微米不等， 通常分別被稱為「納米晶」和「微晶」。

硬度

硬度被定義為耐壓痕，人造金剛石是已知最硬的材料。人造金剛石的硬度由其純度、結晶完美度和取向決定：無瑕疵的純晶體朝向[111]方向具有更高的硬度（沿著立方金剛石晶格的最長對角線）。CVD金剛石生長產生的納米晶金剛石的硬度可以從單晶金剛石的30%到75%不等，硬度可以針對特定用途進行調整。一些製造的單晶鑽石和高溫高壓納米晶鑽石（見 超級鑽石）比任何發現的天然鑽石都更堅韌。

雜質和夾雜物

每顆鑽石都含有碳以外的原子，其濃度可通過分析技術進行量化。這些原子可以形成稱為夾雜物的宏觀相。通常避免雜質 ， 但可以故意插入雜質以控制鑽石的某些品質。利用溶劑催化劑的合成金剛石生長過程通常會導致產生 許多 與雜質相關的複雜中心，這些中心涉及過渡金屬原子（如鎳，鈷或鐵），這些中心會改變材料的電特性。

例如，純金剛石是一種電絕緣體，而添加硼的金剛石是一種電導體（在某些情況下，是超導體），因此可以用於 電子應用。氮雜質阻礙晶格位錯（晶體結構內部的缺陷）的運動並壓縮晶格，從而增強硬度和韌性。

導熱

根據缺陷和晶界結構的不同，CVD金剛石的導熱係數範圍從數十 W/m-K 到超過 2000 W/m-K。金剛石晶粒隨著膜厚度在 CVD 中的增長而發展，從而沿膜厚方向產生梯度導熱性。

與大多數電絕緣體不同，純金剛石是一種極好的熱導體，因為晶體內部有很強的共價鍵合。純金剛石的導熱係數是所有已知固體中最高的。富含¹² C（⁹⁹.⁹%）的同位素純金剛石的人造金剛石的單晶，在室溫下具有最高的導熱係數，為30 W/cm·K，比銅高7.5倍。天然鑽石的電導率被天然存在的13個C降低1.1%，這在晶格中起到了不均勻性的作用。

珠寶商和寶石學家使用鑽石的導熱性，使用電子熱探針將真品鑽石與仿品區分開來。這些探頭由兩個電池供電的熱敏電阻組成，安裝在一個精細的銅尖中。一個熱敏電阻充當加熱器，而另一個熱敏電阻則檢測銅尖的溫度：如果被測寶石是鑽石，它將以足夠快的速度傳遞尖端的熱能，從而導致明顯的溫度降低。此測試大約需要 2–3 秒才能完成。

應用

加工和切削刀具

A polished metal slab embedded with small diamonds

角磨機刀片中的金剛石

人造金剛石的硬度長期以來 一直與 大多數工業用途有關;這一特點使金剛石成為機床和切削工具的理想材料。鑽石作為最堅韌的天然物質，可用於拋光、切割或磨損任何材料，包括其他鑽石。金剛石鑽頭和鋸子，以及使用金剛石粉末作為磨料，是這種能力的常見工業應用。迄今為止，合成金剛石最重要的工業應用。雖然真金剛石也出於各種原因被使用，但合成高溫高壓金剛石更受歡迎，因為它的機械品質更具可重複性。金剛石不適合黑色合金的高速加工，因為在高速加工產生的高溫下，碳可溶於鐵，與替代品相比，金剛石刀具的磨損顯著增加。

切削刀具中的金剛石通常以微米級晶粒的形式散落在燒結到刀具上的金屬基質（主要是鈷）中。在工業中，這被稱為多晶 金剛石（PCD）。採礦和切割應用使用 PCD 尖端儀器。在過去的十五年中，人們一直在努力用CVD金剛石塗覆金屬工具，雖然這項工作顯示出希望，但它並沒有大大取代傳統的PCD工具。

熱導體

大多數具有強導熱性的材料，如金屬，也是導電的。另一方面，純人造金剛石具有高導熱性，但導電性最低。這種組合在電子領域是無價的，金剛石被用作高功率鐳射二極管、激光陣列和高功率晶體管的散熱器。高效的散熱延長了這種電子產品的使用壽命，電子產品的高更換價格證明使用高效（儘管相當昂貴）金剛石散熱器是合理的。人造金剛石散熱器用於半導體技術，以防止矽和其他半導體器件過熱。

光學材料

金剛石是堅硬的，化學惰性的，具有高導熱性和低熱膨脹係數。這些特性使金剛石優於用於傳輸紅外和微波輻射的任何其他現有視窗材料。因此，人造金剛石開始取代硒化鋅作為高功率CO2 激光器和陀螺儀的輸出視窗。這些合成多晶金剛石視窗的形狀為大直徑（陀螺儀約10釐米）和小厚度（以減少吸收）的圓盤，只能用CVD技術生產。長度可達約10毫米的單晶板在多個光學領域變得越來越重要，包括鐳射腔內的熱擴散器，衍射光學元件以及作為拉曼鐳射器中的光增益介質。HPHT和CVD合成技術的最新進展提高了單晶金剛石的純度和晶體學結構的完美性，足以取代矽作為高功率輻射源（如同步加速器）中的衍射光柵和視窗材料。CVD和HPHT工藝也用於創建設計光學透明的金剛石砧，作為使用金剛石砧單元在超高壓下測量材料的電和磁性能的工具。

電子學

合成金剛石作為半導體具有潛在的用途，因為它可以摻雜硼和磷等雜質。由於這些元素含有比碳多一個或少一個價電子，它們將合成金剛石轉化為p型或n型半導體。通過將合成金剛石與硼和磷依次摻雜來產生p-n結，產生發光二極體（LED），產生235 nm的紫外光。人造金剛石對電子產品的另一個有用特性是高載流子遷移率，對於單晶CVD金剛石中的電子，其可達4500 cm 2 /（V·s）。高遷移率有利於高頻操作，由金剛石製成的場效應晶體管已經顯示出在50 GHz以上的高頻性能。金剛石的寬頻隙（5.5 eV）使其具有出色的介電性能。結合金剛石的高機械穩定性，這些特性正被用於發電站的大功率開關原型中。

在實驗室中，人造金剛石晶體管被製造出來。它們具有耐化學和輻射損傷的能力，並且可以在比矽器件高得多的溫度下工作。雖然金剛石晶體管尚未成功集成到商業電子產品中，但它們有望在極高功率環境和惡劣的非氧化環境中使用。

人造金剛石已被用作輻射探測器。它具有硬輻射，並具有5.5 eV寬頻隙（在室溫下）。金剛石與大多數其他半導體的不同之處在於它缺乏穩定的天然氧化物。這使得表面MOS器件難以構建，但它確實創造了紫外線輻射在不被表面層吸收的情況下進入活性半導體的可能性。由於這些特性，它被用於斯坦福直線加速器的 BaBar 探測器和BOLD（用於VUV太陽觀測的光學光探測器的盲）等應用中。歐洲LYRA計劃最近使用了鑽石VUV探測器。

導電CVD金剛石是各種情況下有用的電極。已經開發出將DNA共價鍵合到CVD生成的多晶金剛石薄膜表面的光化學方法。這些DNA修飾膜可用於檢測與DNA相互作用的許多蛋白質，從而影響金剛石膜的電導率。此外，金剛石可用於檢測通常無法研究的氧化還原反應，並在某些情況下破壞供水中的氧化還原反應性有機污染物。金剛石可以在會損壞先前材料的條件下用作電極，因為它在機械和化學上是穩定的。合成金剛石可用作廢水處理有機廢水和產生強氧化劑的電極。

寶石

A colorless faceted gem

無色寶石，由經化學氣相沉積生長而成的鑽石

用作寶石的合成鑽石採用高溫高壓或 CVD 工藝生長，2013 年，它們約佔寶石級鑽石行業的 2%。然而，有跡象表明，隨著技術的發展，合成珠寶品質鑽石的市場份額可能會增加，從而在更經濟的規模上實現更大、更高品質的合成鑽石。它們有黃色，粉紅色，綠色，橙色和藍色可供選擇，並且在較小程度上無色（或白色）。黃色色調是由生產過程中的氮雜質引起的，而藍色是由硼引起的。其他顏色，如粉紅色或綠色，可以使用輻照合成獲得。一些公司還提供從火化灰燼中生長的紀念鑽石。

實驗室製造的寶石級鑽石在化學、物理和視覺上都與天然鑽石相似。為了保護其市場免受合成鑽石日益增加的影響，開採鑽石行業實施了法律、行銷和分銷對策。紅外線、紫外線和 X 射線波長的光譜學可以區分合成鑽石。戴比爾斯的 DiamondView 測試儀使用紫外螢光檢測高溫高壓或 CVD 鑽石中氮、鎳或其他金屬的痕量雜質。

至少有一家實驗室製造的鑽石製造商公開表示，「致力於披露」其鑽石的性質，以及所有珠寶上的鐳射刻字序列號。該公司的網站顯示了其鐳射銘文之一上的刻字示例，其中包含短語「Gemesis生產」以及序列號前綴LG（實驗室種植）。

2015年5月，一顆10.02克拉的高溫高壓無色鑽石創下了新紀錄。刻面鑽石由一顆 32.2 克拉的寶石製成，需要大約 300 個小時才能成熟。

侵犯人權行為是非洲和其他地方傳統鑽石開採造成的。2006年的好萊塢電影《血鑽》提高了人們對這個問題的認識。消費者對合成鑽石的需求一直在擴大，儘管速度很慢，因為購物者尋找既合乎道德又價格實惠的鑽石。採礦方法也會對環境產生負面影響。

根據寶石和珠寶出口促進委員會的一項研究，2014 年合成鑽石佔製造用作寶石的鑽石的0.28%。

2016 年左右，合成鑽石寶石（例如 1 克拉鑽石）的價格開始「急劇」下跌，在一年內下跌約 30%，並且明顯低於開採鑽石的價格。截至 2017 年，作為珠寶銷售的合成鑽石通常比天然鑽石低 15-20%，隨著生產經濟狀況的改善，預計相對價格將進一步下降。

全球最大的鑽石企業戴比爾斯（De Beers）在 2018 年 5 月表示，將推出一個名為Lightbox的新珠寶系列，該系列將採用合成鑽石。

美國聯邦貿易委員會於 2018 年 7 月授權對其珠寶指南進行重大修訂，對貿易如何描述鑽石和鑽石仿品施加了新的限制。更新后的指導方針與戴比爾斯在2016年敦促的截然相反。修訂後的標準從「鑽石」的定義中刪除了「天然」一詞，允許實驗室製造鑽石被納入「鑽石」的定義。根據新的建議，「如果營銷人員使用 」合成『一詞來暗示競爭對手的實驗室製造鑽石不是真正的 鑽石,... 這將是不誠實的。根據 FTC 的變更，第三方鑽石認證鑒定所 GIA（美國寶石研究院）於 2019 年 7 月從實驗室製造鑽石的認證程式和證書中刪除了合成一詞。

從 2018 年 9 月開始，戴比爾斯燈箱品牌加入市場。此前，戴比爾斯將其合成鑽石製造局限於工業應用。根據該品牌截至 2018 年 11 月的網站，這些鑽石每四分之一克拉的價格為 200 美元，每半克拉的價格為 400 美元，每克拉的價格為 800 美元。這些價格比以前的大多數產品便宜得多，約佔可比開採鑽石價格的十分之一，不到另一家生產商Diamond Foundry在2018年5月出售的合成鑽石價格的四分之一。另一方面，Lightbox不出售寶石，除非它們安裝在鑲嵌中（這會略微提高價格），並且該品牌僅提供 相對低品質 的設置（純銀，玫瑰金鍍或10K金鑲嵌，而不是高K純金或鉑金），並且僅提供耳環和項鍊的設置，而不是戒指。該網站專注於粉紅色和藍色寶石，但也提供無色寶石。根據網站的常見問題解答部分，實驗室製造的鑽石既不像天然寶石那樣有價值或珍貴。據《紐約時報》報導，Lightbox品牌珠寶被宣傳為更明亮的心情和更輕鬆的時刻，如生日和海灘日，只是因為日子，這些產品包裝在糖果色的紙板禮品盒中。燈箱珠寶只能直接從網站上購買，而該網站則表示將在2019年增加額外的合作夥伴銷售網點。

{第1章完結}

See also

The Diamond Maker (1895): a short story by H. G. Wells inspired by Hannay and Moissan

References

How Are Lab Grown Diamonds Made?. Purecarats.

16 C.F.R. Part 23: Guides For The Jewelry, Precious Metals, and Pewter Industries: Federal Trade Commission Letter Declining To Amend The Guides With Respect To Use Of The Term Cultured, U.S. Federal Trade Commission, July 21, 2008.

Zimnisky, Paul (January 22, 2013). The state of 2013 global rough diamond supply. Resource Investor. Archived from