化学气相沉积法合成宝石
1.化学气相沉积法合成金刚石薄膜
早在20世纪50、60年代，美国和前苏联的科学家们就先后实现了低压化学气相沉积金刚石多晶薄膜的研究和开发。虽然当时沉积率很低，但无疑是开创性的举措。自20世纪80年代以来，科学家们成功地发展了多种CVD金刚石多晶薄膜的制备方法，如热丝CVD法、微波等离子体CVD法、DC等离子体CVD法、激光等离子体CVD法、等离子体增强PECVD法等。随着合成技术的成熟，金刚石薄膜的生长速率、沉积面积和结构性能都逐渐达到了可应用的水平。
1.CVD法合成多晶金刚石薄膜的原理
化学气相沉积(CVD)是一种从低分子碳氢化合物(甲烷CH4、乙炔C2H2、苯C6H6等)产生气体的方法。)与氢气混合(其中部分Al2O3加氧)，碳氢化合物在一定的温度和压力条件下离解，在等离子体状态下生成碳离子，然后碳离子在金刚石或非金刚石(Si、SiO2 _ 2、Al _ 2O _ 3、Si C、Cu等)上生长聚晶金刚石。)电场引导下的衬底。在金刚石衬底上生长金刚石薄膜的CVD法也称为外延生长法。有人用微波等离子体CVD法成功生长出厚度为20？在(100)面上，以CH4和H2为原料。m，外延层外延生长表面光滑，晶体质量高，生长速率为0.6？但是在金刚石(110)和(111)面上外延生长的晶体质量较差。这表明金刚石同质外延层的质量与衬底金刚石的晶面取向直接相关。
2.等离子体增强PECVD的工艺条件。
等离子体增强PECVD是目前合成金刚石薄膜应用最广泛的方法之一，其反应装置如图4-1-28所示。
图4-1-28 PECVD合成金刚石薄膜示意图
等离子体增强化学沉积(PECVD)工艺需要使用能量装置来电离输入气体并产生富含碳的等离子体气体的带电粒子。烃类气体通常采用甲烷和氢气，其体积比为(0.1 ~ 1):(0.9 ~ 9)；反应温度为700～1000℃，压力为(0.7～2)×104 Pa。在上述工艺条件下，烃类气体颗粒分解，碳原子沉积在基体材料上，形成人造金刚石薄膜。
3.3的应用。CVD法合成金刚石薄膜。
据介绍，化学气相沉积法合成的金刚石薄膜在工业上有着广泛的应用，如在机械零件上涂覆以增加耐磨性和润滑性；用在电子产品中，可以提高散热效果；可以用来制作超级电脑芯片，最好的过滤器；用在光学产品中，可以增强透视效果，保护镜片；在医学上，可用作人工关节的接口、人工心脏的阀板和防酸、防碱、防辐射的最佳保护膜；在军事上可以用作导弹的天线罩；日常生活中，可用于不粘锅、音响振膜、剃须刀刀片保护膜、条码机保护膜等。
目前，CVD法合成的金刚石薄膜在宝石行业的应用主要包括以下几个方面:
1)金刚石膜镀在人造金刚石的各个小面上，使其具有天然金刚石的一些性质。
2)在天然钻石表面镀上彩色钻石膜，用于改变刻面钻石的外观颜色，模仿彩色钻石。
3)在切割后的钻石表面涂覆钻石膜可以增加成品钻石的重量。
4)在硬度较低的宝石表面镀金刚石膜，增强其耐磨性等。例如，鱼眼石或蓝晶石经过金刚石膜处理，并在德国获得专利。
5)可采用人造金刚石膜技术对蛋白石表面进行镀膜，防止其失水开裂。
2.CVD法合成金刚石单晶
近十年来，化学气相沉积合成技术发展迅速，特别是在2003年，CVD技术取得了新的突破，可以用相对较低的成本生长出较大的单晶金刚石，颜色和净度可以达到更高的水平，甚至可以切割和研磨D色级在1ct以上、清洁度级别为IF的珠宝用金刚石。2005年5月17日，美国华盛顿卡内基地球物理实验室分别在日本第十届国际金刚石新技术会议和英国宝石协会的Gem-A Mailtalk上宣布，他们可以将化学沉淀技术提高到100？M/h，快速生长出半英寸厚10ct的优质无色单晶金刚石。不过，合成技术的细节并未透露。
CVD法合成单晶金刚石的原理是在反应室内通入甲烷和氢气，通过电热丝、微波、火焰、DC弧等设备将碳分解成原子，在反应室内形成等离子体。甲烷中的碳原子已经具有四个键的结构。在氢气的催化作用下，每个碳原子与四个碳原子结合形成金刚石结构，在预先准备好的“基座”上逐渐沉淀生长，其生长速度通常为每小时一微米到几十微米。生长基座可以用天然或高温高压合成金刚石切割成{100}晶面平行的薄片，然后用微波加热形成等离子体场，温度800 ~ 1000℃，1/10 ATM(标准大气压)= 1065438。
在高温条件下可以根据需要合成不同厚度或粒度的金刚石。
CVD合成的金刚石如图4-1-29所示。
图4-1-29 CVD合成金刚石
第三，合成碳硅石晶体。
1.概观
早在一个世纪前，合成碳硅石(SiC)就被制造出来并作为磨料广泛应用于工业中。SiC单晶的生长也已经研究了许多年。生长出来的SiC单晶主要有两种用途:一是作为半导体材料，二是作为珠宝首饰中钻石的替代品。
1955年，莱利用升华法生长了合成碳硅石晶体，为合成碳硅石的发展奠定了基础。虽然这种方法生长的晶体尺寸小，形状不规则，但生长的晶体质量非常好，所以赖利法一直是生长高质量碳硅石单晶的方法。1980年初，俄罗斯的Tairov等人改进了Riley的方法，利用籽晶升华技术(又称物理气相传输技术)生长碳硅石大晶体，有效地避免了自发成核，宣告了碳硅石技术可控生长合成的成功。这种材料的多面宝石的颜色可以类似于无色。这种合成材料由北卡罗莱纳州多哈姆的Cree Researchinc生产，由C3公司销售。
Charles&Colvard Ltd，成立于1995，其前身是C3公司，采用高科技成果解决了合成碳硅石在高温常压下的颜色和透明度问题，合成了大颗粒宝石级合成碳硅石晶体，经过精密切割后镶嵌在铂金和k金首饰中，正式推向国际市场。到2000年，合成的碳硅石晶体的直径已经达到100毫米..目前，合成碳硅石年产量可达7万多克瓦。
2.碳硅石单晶合成技术。
图4-1-30戴维斯专利合成碳硅石生长设备结构图。
1990年，戴维斯改进了赖利法，其成熟技术获得专利。该方法的设备结构图如图4-1-30所示。在该过程中，用于生长和合成碳硅石单晶的原料粉末通过多孔石墨管并被加热和升华成气态，然后直接在籽晶上结晶，从而生长梨形Si C单晶。整个过程既有物质状态的变化，也有物质结构的变化。
戴维斯专利的技术条件如下:
1)应控制粉末的粒度，采用超声波振动法进行填充。
2)晶种和粉末应属于同一多型体，晶种的取向应稍微偏离轴向。
3)生长初期应抽真空，然后通入低压氩气。
4)采用耐热石墨套管加热，供应区温度为2300℃，晶体生长温度低于供应区温度100℃。
5)籽晶的旋转和生长晶体位置的调整应精确。这种方法可以生长出宝石级的彩色6h合成碳硅石晶体，晶体直径为65438±02mm，厚度为6mm，生长周期为6H。一些合成碳硅石梨的表面显示出类似于钻石表面的三角形凹坑。