钻石|实验室里可以“种”出钻石？我们离实现“钻石自由”还有多远？( 二 ) 钻石|金刚石|石墨|研究所

受到钻石成因的启发，那我们可以按照地球母亲做钻石的环境，以及天外来客给我们带来钻石的环境，模拟那个现场，能不能做出钻石？
于是人们就又进行了深入的研究。
在18世纪末期的时候，人们发现亮闪闪的钻石的主要成分就是碳元素，它跟貌不惊人黑黢黢的石墨，实际上是同宗的兄弟，可以说是一母同胞。

文章插图
那么我们是不是可以把便宜的石墨，而且储量特别丰富的石墨，转化成稀少的昂贵的钻石？人们进行了一些探索。
首先我们来看这一张彩色的图片。

文章插图
这是一张碳的相图，我们可以看到在白色的区域里面，一般来讲这个地方的温度比较高，压力也比较大。
在这个区间里面，是一个钻石稳定形成的区域，而下方红色的区间，是石墨比较稳定，钻石亚稳定的状态。
于是可以想象，如果我们用高温和高压模拟地球里面的环境，就应该可以获得我们想要的人造钻石。
最初开展这个活动的，就是美国的GE公司，他们采用了一个两面顶的压机，成功地合成出了人造的钻石，高温高压法的钻石。

文章插图
我们来看一下，当时他们所用的装置，是上下有两个顶的，用来施加压力，在中间的腔体部分，外面包着一个加热的装置，用电来进行加热实现高温。
我们再看这个腔体放大的部分，我们知道石墨是所用的原材料，通过高温高压，要把石墨转化成钻石，那是要耗费千百万年的，但是人类寿命很短也等不起。
大家也很心急，怎么办？
我们就发现了铁、钴、镍这一类的金属元素，对于石墨转化成为金刚石，有很好的催化作用，它能大大加速转化的过程。
于是在这里，我们又把它加入了溶媒金属，就是这类的金属仅仅加入溶媒金属，确实大大加快了转化的速度。
可是得到的金刚石，却不是我们想要的那种大块的金刚石。
于是人们在里边，又加入了一颗小小的金刚石的种子，用这颗种子最后获得了大块的金刚石。
我们现在看到的是一个叫做六面顶压机的设备，这是现在生产人造金刚石比较常用的设备。
它从上下左右前后六个方向，对石墨进行挤压，得到的金刚石，就是这张图片上这样，有点发黄的金刚石。

文章插图
我们再回头看，当时用高温高压法，实现了人造金刚石的合成之后，有另外一批人，也是美国人。
他们采取了另一种方法，叫做CVD的方法，也就是化学气相沉积的方法，来实现单晶金刚石的生长。
他们在一个管式炉里面，通过了一些气体，加温还通入含碳的气体，然后在里面实现了少量的人造金刚石的生长。

文章插图
我们来看一下，现在我们用的化学气相沉积的设备，主要就是一个炉子，在这个炉子里面，要能够提供能量，而且要有能够往里通路的碳源。
然后还要有一个托盘，托盘上面就是金刚石的籽晶，我们也把它当作金刚石的种子。

文章插图
另外微波是提供能量的，可以把它看作是太阳，可以把甲烷看作是沉积的雨露。
当太阳照在雨露上，就把甲烷变成了碳的等离子体、氢的等离子体。碳的等离子体，就像雨一样浇在这个种子上，在上面生根发芽。

文章插图
实际上这个碳，在到达了金刚石的种子上之后，更多的形成的是石墨相。
是石墨，而不是金刚石，金刚石比较少。这时候就需要介入氢气。
这个氢气就像一个高压的水龙头，把石墨从表面清除掉，这样我们就获得了很好的单晶金刚石。
我们看到高温高压法和CVD法都能够实现人造钻石的制备，但是高温高压法，由于很多时候里面含有大量的氮元素。
因为空气中有大量的氮，所以它显得有些发黄，而一般来说CVD法比较好控制，而且这样得到的人造钻石，颜色是比较透明的。