Как производятся выращенные в лаборатории бриллианты: методы HPHT и CVD

Введение

Выращенные в лаборатории алмазы - это современная альтернатива добытым алмазам. Они имеют тот же химический состав, что и природные алмазы. Их выращивают в контролируемых условиях. Мы расскажем о двух основных процессах, в результате которых создаются выращенные в лаборатории алмазы.

Что такое выращенные в лаборатории алмазы?

Лабораторные алмазы - это кристаллы, которые выращиваются в лаборатории, а не в земле. Они создаются из чистого углерода. Они обладают связью sp³ и кубической кристаллической структурой, характерной для природных алмазов. Они химически одинаковы. В большинстве случаев они имеют одинаковый блеск и твердость.

Основные преимущества этих бриллиантов - этичность приобретения, так как добыча не ведется. Влияние на окружающую среду незначительно, а стоимость дешевле, чем у добытых алмазов. Они обеспечивают хороший контроль качества конечного продукта. Именно по этой причине их предпочитают использовать как в ювелирных изделиях, так и в промышленности.

Обзор методов выращивания алмазов

История синтеза алмазов началась еще в 1950-х годах. Первые эксперименты проводились с целью выяснить, могут ли алмазы образовываться вне природы. Современная эпоха может похвастаться двумя устоявшимися процессами.

Первый метод - это процесс высокого давления и высокой температуры. Он имитирует естественный процесс в недрах Земли, где алмазы формируются в течение миллионов лет. Второй метод - химическое осаждение из паровой фазы. Он создает алмаз атом за атомом и обеспечивает точный контроль над процессом роста.

Оба процесса со временем усовершенствовались. У обоих есть свои условия и приспособления. Оба могут быть использованы для различных целей. Давайте узнаем об особенностях и преимуществах обоих процессов.

Метод высокого давления и высокой температуры

Принцип роста при высоком давлении и высокой температуре

Этот процесс основан на том, что формирование алмазов происходит в очень жестких условиях. При этом используется давление от 5 до 6 гигапаскалей. Температура поддерживается на уровне от 1500 до 1600°C. Такие условия способствуют превращению графита в алмаз. Превращение происходит при таких экстремальных условиях. Этот процесс напоминает природный, но за очень короткий промежуток времени.

Оборудование и установка

Для этого процесса необходимо специальное оборудование. Системы прессов могут быть разными. Распространены кубовые прессы, ленточные прессы и системы с разделенными сферами (или прессы BARS). В этих машинах можно регулировать высокое давление и температуру. Эти машины обеспечивают контролируемый процесс роста.

Этапы процесса

Метод начинается с маленького алмазного семени. К нему добавляется источник углерода и подвергается воздействию экстремальных условий. В расплавленный металл добавляется катализатор- железо, никель или кобальт. Катализатор помогает атомам углерода выстроиться в форму алмаза. Рост происходит очень медленно. С течением времени кристалл алмаза формируется из затравки. Процесс может занять несколько часов или даже дней, в зависимости от размера и качества.

Типичные характеристики

Бриллианты, образовавшиеся в результате этого процесса, могут иметь слабый желтоватый оттенок. Причиной желтоватого оттенка является введение азота во время роста. Они также демонстрируют отчетливые узоры включений и видимые зоны роста. Могут быть получены как промышленные, так и ювелирные алмазы. В основном эти алмазы используются в промышленности благодаря тому, что их физические характеристики подходят для таких операций, как резка, сверление и шлифовка.

Процесс химического осаждения из паровой фазы

Принцип выращивания методом химического осаждения из паровой фазы

Процесс химического осаждения из паровой фазы уникален. Он начинается со смеси углеводородных газов, таких как водород и метан. Внутри вакуумной камеры в газовой фазе образуется углеродная плазма. Атомы падают на подложку и слой за слоем формируют алмаз. Этот процесс позволяет ученым лучше контролировать чистоту и структуру получаемого алмаза.

Этапы процесса

В этом методе первый шаг включает в себя подготовку чистой подложки. На подложке обычно размещается минутная алмазная затравка. Затем процесс происходит в вакуумной камере. Для диссоциации углеводородного газа используется микроволновая плазма или горячая нить. Атомы углерода испускаются и затем осаждаются на подложку. Скорость роста, температура в камере и соотношение газов тщательно контролируются. Такая точная укладка способствует формированию высокооднородных слоев алмазов, часто содержащих меньше металлических включений.

Качество получаемых алмазов

Метод химического осаждения из паровой фазы позволяет получить очень чистые алмазы. В основном они бесцветны и называются алмазами типа IIa. Эти алмазы имеют очень однородную внутреннюю структуру. Этот метод дает меньше дефектов по сравнению с методом высокого давления и высокой температуры. Поскольку они очень прозрачны и обладают контролируемыми свойствами, они идеально подходят для высококачественных ювелирных изделий. Полупроводники также используют эти качественные алмазы в многочисленных приложениях.

Заключение

Лабораторные алмазы - это результат передовых технологий и десятилетий исследований. Метод высокого давления и высокой температуры копирует природу. Он использует интенсивное давление и тепло с катализатором для преобразования графита в алмаз. Метод химического осаждения из паровой фазы позволяет создавать алмаз атом за атомом в лаборатории. У обоих методов есть свои плюсы и минусы. Для получения более подробной информации обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

В: В чем самая большая разница между природными алмазами и алмазами, выращенными в лаборатории?

О: Выращенные в лаборатории алмазы производятся в лабораториях, в то время как природные алмазы образуются в земле.

В: Почему кто-то выбирает процесс высокого давления и высокой температуры?

О: Потому что он очень близко имитирует природные методы и создает алмазы уникальной формы.

В: Как процесс химического осаждения из паровой фазы обеспечивает качество бриллиантов?

О: Он создает алмазы атом за атомом под строгим контролем для равномерного роста.