为什么大自然需要经过数十亿年的时间在地底形成钻石,而科学家却能在实验室里产出一样的结果呢?那是因为钻石与石墨(常见用途为铅笔笔芯),两者的组成元素皆为碳(C),但由于原子排列方式不同,造成特性的天壤之别。「科技始终来自于人性」,天然钻石不仅价格不斐,并且开采过程不易,甚至牵扯人性、环境保护、价格操纵垄断等问题,因此如果实验室将石墨进行重新排列,并且给予足够大的能量,就能够变成闪闪发亮的钻石。
培育钻石又因制作方法的不同,分为:
• HPHT钻石:高温高压法(High-Pressure & High-Temperature)
• CVD钻石:化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)
HPHT是一种较为传统的钻石培育方法,此法是透过实验室内的特殊装置,来模拟地球深处天然钻石形成时的高压高温环境(约5万大气压力、1300~1600°C),用装置内的碳材料制造培育钻石。
HPHT钻石的生长过程:
1. 将钻石晶种置于专门打造的压力条件下。
2. 将生长室加热至1300~1600°C,压力高于5万大气压。
3. 熔融金属(铁、镍、钴等元素)将高纯度碳源分解。
4. 碳原子沉积在一小块钻石晶种上,培育钻石开始生长,结晶过程需要数天至数週时间,以形成一个或多个晶体。
制造无色的HPHT培育钻石曾是一大难题,因为氮会使钻石变黄,过去技术尚未成熟时,培育出的钻石会呈橙色、黄色不等,但多年来,随著技术进步,HPHT培育钻石的颜色不断改善。除了使用于生长钻石之外,HPHT法还可应用于改变天然钻石的颜色,使其变为无色、粉红色、绿色、蓝色或黄色。
以HPHT法培育钻石,钻石的颜色等级通常可以达到D、E、F无色,少部分技术尚未成熟之实验室会出现H级以下的颜色;淨度方面多半是 VS~SI 等级。高淨度的无色钻石需要更长的生长时间,其生长所需温度和压力条件也需要得到更精准的控制。
▼ 左图为HPHT钻石未切磨前的原样,右图为HPHT钻石生长设备。
CVD钻石(化学气相沉积法)
上面提到的高温高压法,培育钻石过程缓慢,于是到了1960年,为了改善HPHT生产方式的缺点,科学家发展出化学气相沉积法(CVD),是更为新型的钻石培育方法。
CVD 钻石的生长过程:
1. 将钻石晶种置于钻石生长室中(真空环境),并去除一切杂质。
2. 生长室中注入甲烷和氢气。
3. 将生长室加热至900~1200°C。
4. 启动高功率微波,使碳原子与氢原子分开。
5. 游离的碳原子逐渐附著到晶种上,慢慢沉积成结晶状的钻石,并複制晶种的结构生长。
大多数CVD培育钻石最初都是褐色的,但也可以生产出近无色或呈浅黄色的晶体,有时带有石墨边缘。HPHT可用于改善CVD钻石的颜色,使钻石颜色达到近乎无色的范围。被选择切磨成宝石的「无色」CVD钻石,其淨度往往比天然钻石高,大多在VVS2至VS1之间。
▼ 左图为CVD钻石未切磨前的原样,右图为CVD钻石生长设备。