Asset Publisher

Asset Publisher

Kim cương tổng hợp CVD - Phần 1: Lịch Sử

Năm 1954, hai năm trước khi thông tin kim cương tổng hợp HPHT xuất hiện, một phát minh về quá trình tổng hợp kim cương mới xuất hiện: quá trình CVD (chemical vapor deposition – tích tụ hơi hóa học). Những báo cáo đầu tiên về kim cương tổng hợp CVD được quan tâm với thái độ hoài nghi và không được kiểm tra lại trong nhiều năm sau đó. Vào cuối những năm 1980, các nhà khoa học với những kiến thức sâu rộng hơn về công nghệ cao đã tổng hợp lại kim cương bằng phương pháp CVD.

 

 

Quá trình CVD thì hơi khác so với quá trình thành tạo kim cương tự nhiên. Nó tạo ra kim cương từ một hỗn hợp khí gồm hydrocarbon (metan) và hydro được nung trong buồng chân không tại áp suất rất thấp.Trong trường hợp thông thường, nung hỗn hợp khí này tại áp suất như trên sẽ tạo ra graphite hoặc một số dạng carbon không phải kim cương. Nhưng trong buồng tăng trưởng CVD, một số phân tử hydrogen được biến đổi thành nguyên tử hydrogen gúp thúc đẩy sự thành tạo kim cương, bởi vì kim cương ổn định hơn trong môi trường này. Sự biến đổi phân tử hydrogen thành nguyên tử hydrogen được thực hiện trong toàn bộ quá trình là nhờ năng lượng sóng microwave. Khi nguyên tử hydrogen ở trạng thái pha khí, 2 quá trình hóa học xảy ra:

 

(1) Graphite và những dạng carbon không phải kim cương phản ứng vời nguyên tử hydrogen và bốc hơi để trở thành một pha khí mới.

(2) Nguyên tử hydrogen phản ứng với hydrocarbon (metan) để tạo liên kết carbon-hydrogen hoạt động. Khi liên kết này bị phá hủy, nó tách hydro ra để tạo carbon tinh khiết: đó chính là kim cương.

 

Để tạo ra kim cương tổng hợp chất lượng ngọc, mầm kim cương (thiên nhiên, tổng hợp HPHT hoặc tổng hợp CVD) được đưa vào bên trong hỗn hợp khí tại nhiệt độ khoảng 900 -12000C. Liên kết carbon-hydrogen hoạt động đi xuyên qua bề mặt mầm cho đến khi nó tìm thấy một nguyên tử carbon và sau đó liên kết với nguyên tử carbon này. Quá trình này làm cho nguyên tử carbon dày lên và lặp đi lặp lại để nhân rộng cấu trúc tinh thể của tinh thể mầm kim cương theo không gian ba chiều.

 

Hình 1: Kim cương tổng hợp CVD không màu, dày khoảng 1mm nằm trên mầm là kim cương tổng hợp HPHT màu vàng.

 

Hình 1 cho thấy quá trình tăng trưởng của kim cương không màu trên mầm kim cương vàng tổng hợp HPHT. Tinh thể này dày khoảng 1 mm, những tinh thể dày hơn có thể được tạo ra bằng cách kéo dài thời gian tăng tưởng. Ngày nay, tinh thể kim cương dày 3 đến 5 mm đã được tạo ra và được sử dụng trong công nghiệp đá quý. Một trong những điểm đặc biệt của tổng hợp CVD là tăng trưởng theo chiều đứng là chủ yếu còn tăng trưởng theo chiều ngang rất hạn chế, do đó đường kính mầm tối thiểu là phải lớn hơn đường tinh thể mong muốn sau khi tổng hợp xong. Mỗi một tinh thể tăng trưởng cần một mầm, vì vậy mầm thường được thu hồi và tái sử dụng cho những lần tổng hợp sau.

 

Những buồng tăng trưởng CVD đầu tiên chỉ có thể chứa một mầm trong 1 lần tăng trưởng. Mặc dù số lượng mầm trong một buồng tăng trưởng được giữ bí mật, những cũng có một số hãng sản xuất CVD báo cáo là có khả năng tăng trưởng với 50 mầm hoặc hơn trong cùng một lúc. Con số này được dự đoán là có thể tăng lên trong tương lai

 

Hình 2: Kim cương tổng hợp CVD sau khi được cắt mài và đánh bóng

 

Kim cương tổng hợp CVD được cắt mài và đánh bóng tương tự kim cương thiên nhiên (chi phí bằng mài như nhau). Để tránh nhầm lẫn và dễ dàng nhận dạng người ta thường khắc lazer trên gờ viên đá. Hình 2 là kiều cắt mài đặc trưng của kim cương tổng hợp CVD

 

Tác giả: Robert Linares, Integrated Diamond Technologies, LLC

Dịch: Trần Minh Tân