CVD合成鑽石
GIA TAIWAN 曹盛欽編譯 資料來源：GEM & GEMOLOGY 2004 SP
在珠寶業界偶而都會遇到合成鑽石，這幾年來合成鑽石的重心都集中在高溫高壓合成鑽石上。然而多年以來科學家已知在含碳氣體中以低壓環境下也可以合成鑽石，此技術即為化學蒸氣沉澱法Chemical Vapor Deposition (CVD)，在這近二十年來化學蒸氣沉澱法合成鑽石的材質應用在各種不同領域的研究在全球各地如火如荼地展開。
美國麻州波士頓的Apollo Diamond Inc.,已研究多年發展化學蒸氣沉澱法合成鑽石應用在珠寶業界上，在2003年8 月此公司對外界宣稱他們開始計畫在2004年第四季銷售限量化學蒸氣沉澱法合成鑽石的刻面成品。
在1980年代以來 DTC已研發化學蒸氣沉澱法合成鑽石的技術，其目的是為了瞭解化學蒸氣沉澱法合成鑽石的特性，而非是以商業銷售為目的為宗旨，藉由此研究，他們可以更有效率及更有辦法來區分天然及合成鑽石，而更進的可制定天然鑽石的行銷策略與應對合成公司的方式，在實驗的過程中，也有一些合成鑽石被切磨成刻面寶石
在高溫高壓何合成鑽石現市時，在英國DTC研究中心的科學家早已先一步地了解化學蒸氣沉澱法合成鑽石的生長過程及特性，而此一研究計畫所獲得的寶貴數據結果在化學蒸氣沉澱法合成鑽石開始商業化生產之際，也提供給廣大的珠寶業者知悉，如此將更正面的導入業者對天然及化學蒸氣沉澱法合成鑽石的專業知識。
此篇文章的目的是提供寶石學家對化學蒸氣沉澱法合成鑽石的製程有更廣泛的了解，對它的發展始末及有那幾種不同的化學蒸氣沉澱法合成鑽石及化學蒸氣沉澱法合成鑽石與天然鑽石間特性上的差異。這些資訊可協助寶石學家鑑別商業化化學蒸氣沉澱法合成鑽石。
化學蒸氣沉澱法合成鑽石
與眾所周知的高溫高壓合成鑽石製程相反，化學蒸氣沉澱法合成鑽石是在低溫低壓的環境下形成的，其氣壓大小約為十分之一大氣壓力，它是以甲烷作為碳源，其合成的方法涉及將甲烷分解成反應成份而形成合成鑽石，不同的化學蒸氣沉澱法合成方式間亦有所不同。
最常見的化學蒸氣沉澱法合成鑽石的方法是將氣體分子(甲烷及氫)在高溫電漿下打散成較小的分子，此高溫電漿是由微波在反應器中所產生的。
化學蒸氣沉澱法合成鑽石是附生在一物質上而溫度範圍在800~1000℃，在許多工業上將此一聚晶形態的合成鑽石應用在矽或是鐵的材質上，而此種聚晶材質的合成鑽石因結晶的方向不一致，導致此材質無法拋磨或切割，而珠寶業界所使用的鑽石單晶體方可切磨成所需的寶石。若化學蒸氣沉澱法合成鑽石可以形成單晶體的方式合成，那麼就可以應用在珠寶業界上，在合成時若能控制晶體生長的方向一致性，即可達成此一目標，而晶體生長的一致性我們稱為Homoepitaxy。
HPHT合成鑽石典型的生成條件為高溫高壓(溫度為1400℃，壓力為5.5萬大氣壓)，在此一溫度及壓力下，碳原子的最穩定狀態是鑽石，在化學蒸氣沉澱法合成鑽石中所使用的低壓條件，鑽石是以次穩定型態的方式存在的。雖然此種鑽石不會自發性的轉變成石墨，但是仍有一些必要的生成條件需加諸於合成製程中，以預防石墨的形成，標準的化學蒸氣沉澱法合成鑽石使用富含氫氣的氣體，而在合成的條件中若使用較多的氫氣則會抑制石墨的形成。
化學蒸氣沉澱法合成鑽石的歷史背景
在1952年William Eversole首次以低壓環境下利用含碳氣體合成單晶體鑽石，此合成鑽石成果的發表遠遠的早於1954年GE及1953年ASEA(瑞典)作出合成鑽石，所以Mr. Eversole應是最早合成鑽石的人。
但那時化學蒸氣沉澱法合成鑽石的速率十分緩慢，所以人們認為它並無法商業化，此一缺點使得化學蒸氣沉澱法合成鑽石的發展陷入瓶頸，但1956年蘇俄便著手開始研究低壓合成鑽石，最後藉由改善其生長條件及方法，將化學蒸氣沉澱法合成鑽石的合成速率作一大幅改進，而且還將化學蒸氣沉澱法合成鑽石塗佈在非鑽石的材質上。
1980年代早期日本科學家Matsumoto將化學蒸氣沉澱法合成鑽石的生成速率提升至1 um/hr ，此一結果使得全球對化學蒸氣沉澱法合成鑽石又重新燃起新希望。
1980年代Dee Beers Industrial Diamond Division~ Element Six開始著手研究化學蒸氣沉澱法合成鑽石，挾持著戴比爾斯雄厚的財力，它很快的變成此一領域中的佼佼者，Element Six 將化學蒸氣沉澱法合成鑽石聚晶技術主要應用在光學儀器上及工業用鑽石上。
雖然日本在化學蒸氣沉澱法合成鑽石聚晶的合成速率上有重大的突破，但是在珠寶業界中所需的合成的鑽石單晶體，以一顆 0.5克拉的圓形明亮式來說，它的全深約為3 mm，而以化學蒸氣沉澱法合成鑽石的速率1 um/hr來推算，要達到此一厚度的合成鑽石，需至少耗費18週以上的時間來形成，而形成單晶體的化學蒸氣沉澱法合成鑽石的瓶頸仍卡在「合成速率」上。
在1990年代之前所研究的化學蒸氣沉澱法合成鑽石單晶體成品厚度約在0.1mm以下，但在1990年代之後有更多文獻指出可以做出更厚的單晶體成品，厚度從0.5 mm至1.2 mm不等。而美國Apollo Diamond 更改善了製程，合成鑽石的速率可達100 um/hr使得化學蒸氣沉澱法合成鑽石單晶體應用在珠寶業界上變得更為可行了。
化學蒸氣沉澱法合成鑽石的判斷
Diamond View：
化學蒸氣沉澱法合成鑽石在Diamond View下可以看到O色的螢光反應及線條。
經HPHT處理淡化顏色的化學蒸氣沉澱法合成鑽石在Diamond View下可以看到”綠色的”螢光反應，但化學蒸氣沉澱法合成鑽石的線條依然存在且清晰可見。
此為含硼的化學蒸氣沉澱法合成鑽石在Diamond View 下可以看到條紋狀結構，且具藍色螢光。高純度的化學蒸氣沉澱法合成鑽石在Diamond View 下並沒有先前所提及的橙色螢光反應，而是呈現藍色的螢光反應，但高純度化學蒸氣沉澱法合成鑽石在初期仍不會作商業化生產。
IIa型天然鑽石在Diamond View 下的外觀，它具有藍色的螢光反應及”馬賽克”般的網狀外觀，十分明顯，此種網絡般的結構在任何化學蒸氣沉澱法合成鑽石中都未曾見過。
IIa型天然鑽石在Diamond View 下也可能可看見”斜帶狀結構”，此種結構在任何化學蒸氣沉澱法合成鑽石都未曾見過。
此為一罕見的例子，”天然”IIa型鑽石在Diamond View下可看到橙色螢光反應，但在此顆鑽石中我們仍可以看到天然的IIa型鑽石的網狀結構，而此結構在化學蒸氣沉澱法合成鑽石中未曾見過。
X光照相：
在X光照片下，含硼的Ib型化學蒸氣沉澱法合成鑽石具有柱狀結構，此導因於斷層結構，此為典型的化學蒸氣沉澱法合成鑽石的特徵，但此特徵並不是每顆化學蒸氣沉澱法合成鑽石都會有的。在基底層與何成鑽石間的分隔介面，在外觀上的突然轉變是鑑別的有利證據。
化學蒸氣沉澱法合成鑽石在X光下仍可以看見平行的柱狀結構而橫切面是平行生長方向的。化學蒸氣沉澱法合成鑽石轉至另一方向來看，可以看到成束的點狀結構。
近紅外線光譜：
含氮化學蒸氣沉澱法合成鑽石在近紅外線具有8753, 7354, 6856, 6425, 5564, 3123 cm-1，此點在天然鑽石中是看不到的，此數據是強烈指示該鑽石為化學蒸氣沉澱法合成鑽石。
拉曼光譜：
褐色化學蒸氣沉澱法合成鑽石經HPHT處理後1540 cm-1會消失
以514 nm氬雷射，在紫外線~可見光吸收光譜下：化學蒸氣沉澱法合成鑽石，它具有270, 365, 520 nm，‘將化學蒸氣沉澱法合成鑽石以HPHT處理後，發現365, 520 nm消失，所以可以藉由此點來判定化學蒸氣沉澱法合成鑽石是否有經過HPHT處理。
以325 nm氦鎘雷射，在紫外線~可見光吸收光譜下：
含氮的化學蒸氣沉澱法合成鑽石經 HPHT後在 503 nm在(H3)，415 nm (N3)，451及 459 nm有吸收，此點在之前的報導中從未見過。
光致發光光譜：
光致發光光譜中596, 597 nm 雙線也是一個很好的指示化學蒸氣沉澱法合成鑽石的身分，有些化學蒸氣沉澱法合成鑽石在光致發光光譜中會因矽相關成分而有737 nm吸收，737 nm在天然鑽石上市絕對看不到的，但在日後合成的化學蒸氣沉澱法鑽石中有越來越找不到的趨勢，所以需與其他條件合併判定。
綜合737 nm及596, 597 nm 雙線，及氫相關的吸收即可判定化學蒸氣沉澱法合成鑽石與天然鑽石的區別。
四種化學蒸氣沉澱法合成鑽石的比較表
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