实验室合成钻石
钻石行业是供需经济理论的典型案例，因稀缺而昂贵。除了用于珠宝，由于其化学成分和强度，钻石还具有多种工业应用。 高价格和高需求刺激了实验室钻石制造市场的增长。 如今，越来越多的公司关注实验室钻石的生产，这不仅有助于使这种宝石级钻石的开发生产，而且有助于将世界观转向天然钻石开采的人道主义和环境成本。 长期以来亚太地区一直是实验室生产钻石的中心。 印度和中国都生产钻石，但都出于不同的目的。 印度倾向于将实验室合成钻石用作时装业的高质量宝石替代品，而中国则将实验室合成钻石和钻石涂层用于工业目的。 如今，制造业遍及多个国家，市场已成为全球性企业(Research，2017年)。 通过多年研究，实验室培育的钻石与天然形成的钻石几乎一模一样。钻石的制造有两种工艺，高压高温合成法(HPHT)和化学气相沉积法(CVD)。高温高压模拟了地球上形成钻石的自然过程，因此需要约2000℃的极高温度和超过150万PSI发生的情况。 CVD是最近开发的一种工艺，它模仿星际气云中的钻石形成，利用能量来破坏气体中的化学键，进而促进钻石的逐层形成(Technologies，2020)。 两种方法都可以生产出高品质的钻石，但由于一些原因，CVD已成为首选方法。首先，大多数CVD工艺所需的温度和压力要比HPHT低。 CVD还能够制造化学纯净的钻石，因为在培育过程中不需要其他气体，例如氮气和硼。而且CVD可以在金刚石以外的其他基材上沉积金刚石。这同时推进了许多行业的技术进步，例如光学、计算机科学和工具生产。迄今为止，CVD生产的最大挑战是无法生产超过3.2克拉的钻石。 此篇文章将描述化学气相沉积的工作原理，并说明Alicat真空控制器如何在此过程中提供帮助。 CVD首先需要钻石或石墨源的薄片作为化学沉积的基底，将基底放置在抽真空至高真空 (约20毫托) 的腔室中，以防止污染。通常使用一种或多种气体：高纯度甲烷、加上氢、氧等气体辅助。腔室中充满了选定的气体，能量就会打破化学键并形成一个原子一个原子的金刚石。 有两种不同的方法可产生CVD过程所需的能量：加热气体(通过热或化学激活)或创造电离等离子体(通过电或电磁激活)。为了加热气体，使真空室内的灯丝达到目标温度(2000-2500℃)。工艺气体以喷枪形式的放热转换也可以在燃烧室内用于将工艺加热到所需的温度(通常在500-1000℃之间)，但这是一种不常见的方法。用微波或激光制造电离等离子体是合成金刚石最常用的方法。有多种技术可以用来制造用于涂层工艺的等离子体(在喷射流或球中)(Michael Schwander, 2010)。 在任何情况下，制造商都必须小心控制生产过程中的温度、压力和气体成分。这三个变量中任何一个的变化或波动都会影响钻石的生长速度，纯度和颜色。下图显示了钻石生长所需的气体成分平衡和压力/温度比。 图1碳-氢-氧平衡(Michael Schwander,2010年) 图2压力和温度对碳溶解度的影响(Michael Schwander,2010) Alicat真空压力控制器可确保准确而稳定的压力，以维持这种微妙的平衡。 Alicat真空专家团队与钻石生产商合作，设计了专门针对CVD系统的压力调节要求而设计的仪器。 Alicat Conductor集成真空压力控制器 历史上，下游压力控制已用于化学气相沉积。 在下游系统中，将大型节流阀与单独的控制模块结合使用以管理高体积流量。 Alicat提供的上游真空控制器使用了一个快速作用的比例阀，可以实现更快的响应和更好的稳定性 CVD金刚石生产的上游控制示例如下图3所示。 图3真空控制中使用的导体系列流量控制器 实验室培育高质量的钻石时，面临许多挑战，生产者必须仔细监控系统稳定性，真空泄漏和组件成本。 Alicat轻松应对系统稳定性问题，真空导体系列流量控制器量程比1000:1和满量程精度+/-0.5%，它可提供灵活而准确的压力控制，并具有极快的2ms传感器响应时间。为了解决泄漏问题，Alicat在真空控制器上进行了氦气泄漏测试(达到1×109 atm-cc / sec)，以降低风险。最后，在成本方面，Alicat设计了一种多功能仪表，不需要下游节流阀或单独的控制模块。 随着实验室培育钻石产业的发展，Alicat将随时准备帮助制造商发展。 如果您有任何问题，请联系我们的专家应用工程师，我们可以找到您需要的解决方案。 参考文献： Chih-shiue Yan, Y. K.-k. (2002). Very high growth rate chemical vapor deposition of single-crystal diamond. Proceedings […]