【培育钻石专场No.1】听苑执中博士倾囊相授培育钻石的那些秘密

今年的春天静悄悄的来了，与以往都不同，春暖花开，踏青游玩的日子里，口罩成为最美的风景；生机勃勃，如诗如画的春天，笼罩着疫情的雾霾，可这却遮掩不住培育钻石闪耀光芒，阻碍不了行业精英的学习热情……

培育钻石

光芒闪耀

培育钻石小课堂

01

敲黑板，记重点

一、培育钻石

培育钻石（Lab-grown diamond），即合成钻石，指用人为模拟天然钻石结晶的过程及条件培育的真钻石。

市场上培育钻石的分类

目前，市场上售卖的钻石主要分为2大类：

（1）真钻石

（2）仿（假）钻石

真钻石，是一种由碳元素组成的矿物，莫氏硬度为10，是自然界中天然存在的最坚硬的物质，其具有优异的物理化学性质。

真钻石来源：天然钻石（Mined Diamond）和培育钻石（Lab-grown diamond）

目前，市面上培育钻石的方法主要有2种，高温高压法（High Pressure High Temperature，HPHT）和化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）法，

两种方式各有千秋，HPHT法主要生长小钻石，CVD法主要生长高品质大钻石

（1）高温高压（HPHT）

目前，国际上主要有3种HPHT压机：

（1）两面顶（Belt Apparatus）（欧美）

（2）分离球式（BARS）（俄罗斯）

（3）六面顶（Cubic Presser）（中国）

HPHT合成钻石的温度直接影响到合成钻石的形状，温度高，则钻石形状趋向于八面体，温度低则接近立方体。另外高温高压法制备的钻石会出现典型的发光样式，有的可以肉眼可见，有的需要借助深紫外光照射辅助观察。

（2）化学气相沉积法（CVD）

化学气相沉积CVD法生长多晶金刚石膜，在1980年代中期问世，单晶CVD金刚石在1990年代末开始有人研发，至2000年代初元素六、卡耐基、阿波罗等公司生长成功，但未能形成市场销售。

2012年初由新加坡的IIa公司将微波等离子体化学气相沉积法生长出的无色高品貭，从小钻到克拉级的首饰钻石商品化，其售价为同级天然钻石的2/3~1/2至1/3，未来会更低，对天然钻石市场引起了震撼。

实际上，单晶首饰钻石只是CVD功能的一小部分，大面积4~8英寸直径的单晶、多晶金刚石在声、光、化、电、热、医方面，有更多、更重要的用途。

CVD反应炉的种类主要有3种：

（1）热丝 Hot Filament

（2）直流电弧喷射 DC Arc Jet

（3）微波等离子 Microwave Plasma

前二种适合生长多晶薄膜。微波分为2.45GHz及0.915GHz两种频率， 后者可以做到数十到百KW的功率，其托盘直径可达4-6英寸，较前者的生产效率（6KW，2英寸）高很多，大型设备是未来CVD炉的趋势。

上图为各国CVD反应炉2019/2022年的数量，预估计2022年全球CVD设备快速增长，共6200台设备，未来中国也是主要的CVD钻石生产国家并且品质最佳。

全球培育钻石工厂分布

目前对于HPHT六面顶分布，中国10000台，俄罗斯100台，欧洲25台，国内主要的HPHT生产钻石的公司主要有：中南、黄河旋风、华晶、力量、修武鑫锐、厚德、济南中乌、山东昌润……

（*不完全统计，排名不分先后）

CVD工厂在世界上分布如下，主要集中在美国、中国、印度、日本、俄罗斯、以色列……

（*不完全统计，排名不分先后）

二、培育钻石与天然钻石的鉴别

1、显微镜放大观察

（1）HPHT钻石显微镜放大观察

内含物：黑色触媒金属生长时被包裹，内部成为黑色金属包裹体，形状为拉长八面体或近球形八面体。

（2）CVD钻石显微镜放大观察

内含物：

1, 裂纹：羽裂纹表面呈褶皱状。

2, 黑点：碳或石墨点表面呈棉花球状。

3, 近表面黑点群：CVD原石表面的黑色多晶杂质点群未切干净，留在成品钻石近表面处。

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2、深紫外光图像DiamondView

以深紫外光照射晶体表面，纯粹表面的成分及结构不同，会显现出不同颜色而呈现出图案

若出现贝壳状条纹，基本确定为CVD钻石

3、紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis-NIR）

利用UV-Vis-NIR光谱中N3色心415nm吸收峰作为鉴别特征，可以将天然钻石中占98%的IaB型钻石先确定，将其余2%没有415nm峰的钻石过滤出来，作进一步检测。

4、怎样在双目宝石显微镜下使用偏光镜

在宝石双目显微镜的载物台上置放一个折叠正交偏光镜，关掉上方的灯光，打开下方的底光，用摄子夹住钻石台面及尖底，置于上下两片偏光镜之间，从钻石腰围附近的冠部、亭部观察，调整背光的明暗，用棉花棒转动钻石，观察钻石冠部、亭部面上异常双折射的全面条柱状图案及颜色

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培育钻石小课堂

02

灵魂问答

Q1

电弧喷射的CVD是否在理论上能超越MPCVD作为单晶生长？

电弧喷射法生长速度非常快，缺点是温度太高，生长时必须要钎焊，容易造成金属污染，对钻石品质影响较大，不适合做单晶，更不适合做首饰，这种方法比较适合生长多晶。

Q2

目前有那些设备可以辨别天然和培育的钻石？

Q3

钻石的TEM 是怎么观察的，是直接观察的合成的纳米金刚石吗？

我们是观察单晶钻石，这个比较困难，先将钻石减薄至0.03mm，再氩离子减薄仪减至穿透，再放在TEM里面观察，最大可放大到百万倍，处理后才可以看到图像，难度比较大。

Q4

请问固态微波源相比磁控管电源是否有优势？

固态源是最新的一种模式，是未来比较好的趋势，尤其是比较小一点功率，如5KW，6KW，效果比磁控管好得多，磁控管主要问题在于稳定性较差，但固态源的缺点是体积较大，成本高，但其成本是一次性的，其稳定性最为最要。

Q5

纳米金刚石有颗粒吗？还是只是薄膜呢？

纳米金刚石定义是纳米尺寸的极小金刚石颗粒，或是生长多晶金刚石膜时由纳米尺寸的极小金刚石组成。颗粒状一般2种方式产生，一种是爆炸发轰击法制备的非常小的金刚石颗粒，另一种是将大金刚石颗粒研磨至微米尺寸；而金刚石膜是其他材料上用CVD生长金刚石多晶薄膜。

Q6

请问目前MPCVD生长速率如何？快速生长有什么需要解决的难题？

如果快速生长一定会有咖啡色生成，必须要高温高压改色，如果高温高压改色会有灰黑产生，就不可以当白钻石卖，慢速生长，以4-6微米的速度，可能获得高品质白钻

Q7

老师您觉得培育钻石何时能够在市场普及，普及后对天然钻石市场的冲击如何

2020年下半年至2021年上半年会有大幅降低，因为戴比尔斯的培育钻石开始大量供应，影响到现有市场培育钻石的价格。天然钻石会逐步枯竭，培育钻石会填补天然钻石遗留的空间，会影响天然钻石中小颗粒、中低品值的价格下降。

Q8

CVD金刚石正交偏光条纹状是因为应力产生的吗？有办法消除吗？对后续加工有什么影响？

CVD培育钻石的正交偏光条纹是生长时的区域状而产生的条柱状应力。产生后无法消除，生长时的机器结构及工艺条件可以不产生，如戴比尔斯最新做出来的一克拉白钻。对后续加工没有影响，只是鉴定的时候无法以此现象判定CVD钻石。有柱状条纹的CVD钻石有的厂家切磨时台面跟生长面有几十度的夹角。

Q9

黑钻目前市面上是用什么方法培育?

用辐照改色，黑钻使用品质差的钻石过度辐照处理，变成暗绿色，不用强光下，看起来就成了黑钻。

10

天然的工业级的钻石用HPHT改色提纯也会变成彩色，为什么没有得到推广？

天然褐色IIa型钻石HPHT改色后会变成近无色，已普遍使用。褐色Ia型钻石HPHT改色后会变成好看的黄绿色，但市场需求量不大，所以不多见。

11

是不是所有的HTHP和CVD都没有415吸收峰，是不是有可能人为干预产生415（我感觉有少部分人的研发有点歪是朝着怎么通过现有检测机器为目标）？

国际上有报导，Ib型合成钻石，HPHT长时间处理，使N结合成IaB，非常困難，我试过十几小时，达到IaA。如花更多成本就是达到IaB，小颗粒的没有市场价值，大颗粒有很多其他方法可以鉴别出来是合成钻，也没有商业价值，所以不担心混充。

12

合成钻石的分级体系什么时候可以建立成熟？

目前IGI上海公司已经在做细分级证书，HRD、EGL也都可以签发细分级证书。GIA是站在天然钻石一方，对培育钻石刻意不做细分级，NGTC延用老的规则粗分级，要等到国家标准改变后才可能细分级。