颜慰萱陈美华
作者简介：颜慰萱，中宝协第三届人工宝石专业委员会高级顾问，曾任中国地质大学（武汉）珠宝学院院长、教授。
陈美华，中宝协第三届人工宝石专业委员会委员，中国地质大学（武汉）珠宝学院教授。
化学气相沉淀法合成钻石的原理和方法
化学气相沉淀法（CVD）是一种在高温（800～1000℃）低压（104Pa）的条件下，利用含碳气体和氢气的反应来合成钻石的方法。它有多种实现方式，如热丝法、火焰法、等离子体喷射法和微波等离子体法等，其中最常用的是微波等离子体法。这种方法的基本过程是：用泵把甲烷（CH4）和氢气等含碳气体输送到一个真空的反应舱内，用微波加热气体，同时也加热舱内的一个基片。微波产生的等离子体使气体中的碳原子从化合物状态分离出来，经过扩散和对流，最终以钻石的形态沉积在基片上。氢原子在这个过程中起到了阻止石墨形成的重要作用（图1，图2）。
所谓等离子体，简单地说，就是气体在电场的作用下，电离成正离子和负离子，通常成对存在，保持电中性。这种状态被认为是除了气体、液体、固体之外，物质的第四种状态。例如，CH化合物在电场中电离成C和H等离子体。
图1 微波等离子体法合成CVD钻石
图2 等离子体及碳结晶示意图
当基片是硅或金属材料而不是钻石时，由于钻石晶粒的取向不一致，所形成的钻石薄膜是多晶的；当基片是钻石单晶体时，就可以沿着它的结晶方向，以同相外延的方式生长出单晶体钻石。基片相当于一个籽晶。作为基片的钻石，可以是天然钻石，也可以是高压高温法或CVD法合成的钻石。基片一般切成薄片，其上下表面大致与钻石的立方体面（{100｝面）平行。
化学气相沉淀法合成钻石的发展历程和现状
1952年，美国联邦碳化硅公司的William Eversole在低压条件下，用含碳气体首次实现了钻石的同相外延生长。这比瑞士ASEA公司1953年和美国通用电气公司（GE）1954年宣布用高压高温法合成钻石的时间还要早，因此Eversole被誉为合成钻石的先驱。但是，当时CVD法生长钻石的速度很慢，很少有人相信它能达到商业化的水平。
从1956年开始，苏联的科学家通过研究，显著提升了CVD合成钻石的速度，当时是在非钻石的基片上生长钻石薄膜。20世纪80年代初，这项合成技术在日本取得了重大突破。1982年，日本国家无机材料研究所（NIRIM）的Matsumoto等宣布，钻石的生长速度已超过1μm/h。这在全球范围内引起了对这项技术在多种工业领域的应用的兴趣。
20世纪80年代末，戴比尔斯公司的工业钻石部（现在的Element Six公司）开始从事CVD法合成钻石的研究，并很快在这个领域占据了领先地位，提供了许多CVD合成多晶钻石的工业产品。
这项技术也在珠宝业得到了应用，那就是把多晶钻石膜（DF）和似钻碳体（DLC）作为涂层（镀膜）用于某些天然宝石，包括钻石的优化处理。
尽管当时CVD合成钻石的生长速度有了很大的提高，使得可以生长出用于某些工业目的和宝石镀膜的较薄的钻石层，但要生产可供切磨刻面的首饰用材料，因为需要较厚的单晶体钻石，仍然是难以实现的。一颗0.5克拉的圆钻的深度在3mm以上，如果以0.001mm/h的速度计算，所需的钻坯至少要生长18周。因此，低速度仍然是阻碍CVD法合成厚单晶钻石的主要障碍。
20世纪90年代，CVD合成单晶体钻石的研发取得了显著的进展。首先是1990年，荷兰Nijmegen大学的研究人员用火焰和热丝法生长出了厚达0.5mm的CVD单晶体。随后在美国，Crystallume公司在1993年也报道用微波CVD法生长出了类似厚度的单晶体钻石；Badzian等于1993年报道生长出了厚度为2mm的单晶体。