فرآیندهای رشد الماس مصنوعی HPHT و CVD و ویژگی‌های آنها

الماس های مصنوعی HPHT و CVD تحت عنوان رشد یافته در آزمایشگاه (lab-grown) با کیفیت گوهری بیش از هر زمان دیگری در بازار طلا و جواهر موجود است. این موضوع هم باعث ایجاد سودآوری و هم نگرانی در مورد الماس های آزمایشگاهی می شود و اینکه آیا متخصصان گوهر یا آزمایشگاه های گوهرشناسی می توانند آنها را شناسایی کنند یا خیر؟

GIA در طول 30 سال گذشته الماسهای آزمایشگاهی یا ساخته شده توسط انسان را به طور گسترده مورد مطالعه قرار داده است و ما اطلاعات زیادی در مورد روشهای تولید شده و نحوه تشخیص آنها داریم. در حالی که الماس های مصنوعی در کارخانه ها تولید می شوند ، خصوصیات شیمیایی و فیزیکی آنها بسیار با الماس طبیعی مطابقت دارد.

برخی از افراد ممکن است از الماس های آزمایشگاهی به عنوان شبیه یا بدل یاد کنند ، اما این نادرست است. بدل‌های واقعی مانند کوبیک زیرکونیا یا مویزنایت سنتتیک – که فقط شبیه الماس هستند – دارای خصوصیات شیمیایی و فیزیکی بسیار متفاوتی هستند که به گوهر شناسان آموزش دیده اجازه می دهد آنها را به راحتی شناسایی کنند. با این حال ، تشخیص الماس های مصنوعی چالش برانگیزتر است.

در بعضی موارد ، یک گوهر شناس آموزش دیده می تواند با استفاده از تجهیزات رایج استاندارد گوهرشناسی ، این الماس های CVD / HPHT مصنوعی یا بهسازی شده را تشخیص دهد. در موارد دیگر ، شناسایی نیاز به آزمایش الماس با استفاده از ابزارهای بسیار پیشرفته علمی دارد. به عنوان مثال در GIA ، آنها یک پایگاه داده بزرگ در مورد ویژگی های هندسی انواع مختلف الماس دارند که از آنها برای توسعه روش های اضافی شناسایی الماس استفاده می کنند.

مقدمه ای برای الماسهای رشد یافته در آزمایشگاه

دانشمندان برای اولین بار در اواسط دهه 1950 الماس‌ها را در آزمایشگاه رشد دادند. این الماسها برای جواهرات خیلی کوچک بودند. تولید بلورهای بزرگتر و با کیفیت گوهری از اواسط دهه 1990 آغاز شد و تا امروز نیز ادامه دارد و شرکتهای بیشتری الماس مصنوعی تولید می کنند. الماس سنتتیک هم در کشورهای مختلف به منظور جواهرات و هم برای مصارف صنعتی (و یا به عنوان مواد اولیه) تولید میکنند.

با استفاده از روش سنتی رشد الماس ، موسوم به فشار بالا و دمای بالا (HPHT) ، الماسهای مصنوعی از مواد اولیه کربنی در دستگاههایی تولید می شوند که از فشار زیاد و شرایط دمای بالای تشکیل الماس طبیعی در زمین تقلید می کنند.

روش جدیدتر ، انباشت بخار شیمیایی (CVD) ، شامل پر کردن محفظه خلا با گاز حاوی کربن است که بر روی یک بذر الماس مصنوعی متبلور می شود. این روش از دما و فشار کمتری نسبت به HPHT استفاده می کند. در حال حاضر هر دو متُد از روشهای محبوب رشد الماس هستند. روش رشد الماس CVD نیاز به هزینه تجهیزات اولیه کمتری از HPHT دارد اما ممکن است برای بهبود رنگ الماس های رشد شده نیاز به بهسازی ثانویه باشد.

الماس HPHT چیست؟

HPHT مخفف فشار بالا ، درجه حرارت بالا است و یکی از روشهای اصلی است که برای رشد الماس در آزمایشگاه استفاده می شود. این فرآیند رشد الماس کربن را در معرض دما و فشارهای شدید قرار می دهد و تکراری از چیزی است که در اعماق زمین رخ میدهد.

فرآیند رشد الماس HPHT

1. بذر (دانه) الماس در یک پرس مخصوص طراحی شده قرار می گیرد.
2. محفظه رشد با فشارهای بالاتر از 870 هزار پوند بر اینچ مربع تا 1300-1600 درجه سانتی گراد گرم می شود.
3. فلز مذاب منبع کربن با خلوص بالا را حل می کند.
4. اتمهای کربن روی یک کریستال کوچک دانه الماس رسوب می کنند و یک الماس مصنوعی شروع به رشد می کند.
5. سپس کریستال تولید شده در آزمایشگاه توسط دستگاه کاتر الماس تراش و پرداخت می شود.

اگر جزئیات بیشتر را بخواهیم بگویم ، رشد الماس HPHT در یک کپسول کوچک در داخل دستگاهی ایجاد می شود که قادر به ایجاد فشارهای بسیار زیاد است. در داخل کپسول ، ماده اولیه کربن ، مانند گرافیت ، در فلاکس ذوب متشکل از فلزاتی مانند آهن (Fe) ، نیکل (Ni) یا کبالت (Co) حل می شود ، که دما و فشار مورد نیاز برای رشد الماس را کاهش می دهد. سپس ماده کربن از طریق فلاکس به سمت بذر الماس سردتر مهاجرت کرده و روی آن متبلور می شود و یک بلور الماس مصنوعی ایجاد می کند. تبلور در طی چند روز تا چند هفته برای رشد یک یا چند کریستال اتفاق می افتد.

در حالی که بلورهای الماس طبیعی تمایل به شکل هشت وجهی دارند ، بلورهای الماس مصنوعی HPHT معمولاً علاوه بر کریستالهای هشت وجهی ، به صورت کوبیک نیز هستند. از آنجا که فرم‌های بلورهای الماس مصنوعی HPHT و طبیعی متفاوت است ، الگوهای رشد داخلی آنها نیز تفاوت فاحشی دارند. این الگوهای رشد از قابل اعتمادترین روشهای جداسازی بلورهای الماس طبیعی و مصنوعی است.

گوهرهای الماس تراش خورده سنتتیک حاصل اغلب توزیع متمایز رنگ ، منطقه بندی فلورسانس و الگوهای بافت (graining) مربوط به ساختار بخش رشد متقاطع آنها را نشان می دهند و همچنین گاهی اوقات حاوی اینکلوژنهای فلاکس-فلز تاریک هستند. در بعضی موارد ، این مواد فسفرسانس از خود نشان می دهند ، حتی با خاموش کردن منبع نور پس از قرار گرفتن در معرض نور ماورا بنفش ، می‌درخشند.

رشد الماس سنتتیک به روش HPHT وقتی بی‌رنگ بودن مد نظر باشد، زمانی یک چالش بود. نیتروژن که الماس را زرد می کند باید از محیط رشد خارج شود. علاوه بر این ، رشد الماس های بی رنگ با خلوص بالا به زمان رشد طولانی تر و کنترل بیشتر بر دما و شرایط رشد نیاز داشت. با این حال ، پیشرفت های اخیر فن آوری ، به آزمایشگاه ها اجازه تولید بلورهای بی رنگی را داده که به صورت الماس 10 قیراط به بالا هستند !

افزودن عنصر بور در فرآیند رشد منجر به ایجاد بلورهای آبی می شود. رنگهای دیگر – مانند صورتی و قرمز – می توانند با فرایندهای بهسازی پس از رشد که شامل تشعشع و حرارت‌دهی هستند تولید شوند ، اما کمتر رایج هستند.

انباشت بخار شیمیایی (CVD) چیست؟

CVD مخفف انباشت شیمیایی بخار است و روش دیگری است که برای ساخت الماس در آزمایشگاه استفاده می شود. الماسها از مخلوط گاز هیدروکربن تحت فشار و درجه حرارت متوسط در محفظه خلا رشد می کنند.

فرآیند رشد الماس CVD چگونه است؟

1. بلورهای بذر (دانه) الماس در یک محفظه رشد الماس قرار می گیرند.
2. محفظه با گاز حاوی کربن پر شده است.
3. محفظه تا حدود 900-1200 درجه سانتی گراد گرم می شود.
4. پرتوی مایکروویو باعث ته نشین شدن کربن از ابر پلاسما شده و روی کریستال بذر اولیه رسوب می کند.
5. الماس ها هر چند روز یک بار برداشته شده ، سطح آنها پولیش شده تا کربن غیر الماس شده قبل از اینکه دوباره برای رشد استفاده شود ، از بین برود. هر دسته از الماس ها ممکن است به چندین چرخه توقف / شروع نیاز داشته باشد و کل روند رشد ممکن است سه یا چهار هفته طول بکشد.
6. بعد از اینکه بلورهای الماس سنتتیک برداشته شدند ، آماده تراش و پرداخت به محصول نهایی هستند.

با جزئیات بیشتر ، رشد الماس CVD در داخل یک محفظه خلا پر از گاز حاوی هیدروژن و کربن مانند متان صورت می گیرد. یک منبع انرژی – مانند پرتوی مایکروویو – مولکولهای گاز را تجزیه می کند و اتمهای کربن به سمت صفحات بذر دانه الماس سردتر و مسطح پخش می شوند. تبلور در طی چند هفته اتفاق می افتد و چندین کریستال همزمان رشد می کنند. تعداد دقیق آن به اندازه محفظه و تعداد صفحات بذر دانه الماس اولیه بستگی دارد. بلورهای تخته‌ای شکل اغلب یک لبه خشن از گرافیت سیاه ایجاد می کنند که باید دور انداخته شود. آنها همچنین یک رنگ قهوه ای را نشان می دهند که می تواند با عملیات حرارتی قبل از فست زدن اولیه از بین برود. بیشتر مواد بی رنگ CVD در بازار احتمالاً یک بار بلورهای قهوه ای بوده اند که توسط آنیل شدن (بازپخت) به روش HPHT رنگ زدایی شده اند.

مانند فرآیند رشد الماس HPHT ، روش CVD همچنان بهبود می یابد و به تولیدکنندگان امکان می دهد اندازه های بزرگتر با رنگ و پاکی بهتر را ارائه دهند.

با وجود فرمول شیمیایی یکسان الماس سنتتیک و طبیعی ، آنها دارای نشانه‌های مشخصی هستند که به دلیل شرایط رشد آنها ایجاد می شود و دانشمندان GIA از این ویژگی‌ها برای جدا کردن آنها از الماس های طبیعی استفاده می کنند. این نشانه‌ها حتی به دانشمندان GIA این امکان را می دهند تا مشخص کنند از کدام روش برای رشد الماس استفاده شده است.

در این جدول بسیاری از ویژگی های بصری متمایز الماس های مصنوعی HPHT و CVD آورده شده است.

در جدول بالا ویژگی های بصری مشخصه اکثر الماس های مصنوعی آورده شده است. هر الماس سنتتیک همه این ویژگی ها را به نمایش نمی گذارد. به عنوان مثال ، یک الماس مصنوعی خاص ممکن است هیچ فلورسانسی را نشان ندهد. بنابراین ، مهم است که هنگام شناسایی الماس ، از بیشترین ویژگی های تشخیصی استفاده کنید.

کالرزونینگ از ویژگی های تشخیصی به ویژه مهم است. الماس های مصنوعی رنگی HPHT اغلب به دلیل چگونگی تمرکز عناصر ، مانند نیتروژن ، در بلور هنگام تشکیل ، کالر زونینگ (منطقه بندی رنگ) هندسی را نشان می دهند. الماس های طبیعی گهگاه کالرزونینگ را نشان می دهند ، اما کالرزونینگ آنها مانند نمونه های مصنوعی HPHT الگوهای هندسی نخواهد داشت. از طرف دیگر ، الماس های رشد یافته در آزمایشگاه به روش CVD معمولاً رنگی صاف و هموار دارند.

الماس های سنتتیک HPHT اغلب حاوی اینکلوژنهای فلاکس فلزی هستند که در نور مستقیم سیاه و اوپک به نظر می رسند اما در نور منعکس شده دارای جلای فلزی و متالیک هستند. به این دلیل که فلزات بعنوان کاتالیزور در طی روند رشد HPHT گاهی اوقات می توانند وارد بلور الماس شوند. این آلیاژهای فلزی فلاکس حاوی عناصری مانند آهن ، نیکل و کبالت هستند. بنابراین بعضی اوقات می توان الماس های مصنوعی با اینکلوژنهای فلزی بزرگ را با آهن ربا برداشت.

الماس های مصنوعی CVD دارای ترکیبات فلزی نیستند. در عوض ، آنها اغلب حاوی ترکیبات گرافیت تیره یا برخی از مواد معدنی دیگر هستند که در نتیجه روند رشد منحصر به فرد آنها است. اینکلوژنهای گرافیت از نظر اینکه جلای فلزی ندارند متفاوت از اینکلوژنهای فلزی به نظر می رسند.

هنگامی که بین دو فیلتر پلاریزه با زاویه 90 درجه نسبت به یکدیگر بررسی می شود ، الماسهای طبیعی معمولاً رنگهای روشن با الگوی شطرنجی یا موزاییکی یا “کرنش” را نشان می دهند. این رنگهای تداخلی ناشی از آن است که الماس در حالی که در اعماق زمین است یا در هنگام فوران انفجاری آن به سطح زمین ، تحت فشارهای خارق العاده ای قرار دارد. الماس های مصنوعی CVD تمایل به نمایش الگوهای “کرنشی” نواری دارند ، نشانگری که به دانشمندان کمک می کند آنها را از الماس مصنوعی HPHT جدا کند. در مقابل ، الماس های مصنوعی رشد یافته HPHT در محیط هایی با فشار تقریباً یکنواخت رشد می کنند که تحت تنش یا فشار قرار نمی گیرند ، بنابراین آنها بدون الگوی کرنشی یا الگوی کرنش نواری ضعیف از خود نشان می دهند.

فلورسانس الماس مصنوعی نیز اغلب برای شناسایی مفید است. فلورسانس الماس سنتتیک غالباً در موج کوتاه نسبت به نور ماورا بنفش موج بلند قویتر است ، در حالی که عکس این قضیه در مورد الماس های طبیعی ای که فلورسانس می کنند صدق میکند. فلورسانس الماس مصنوعی نیز غالباً با الگویی متمایز اتفاق می افتد.

الماس های سنتتیک HPHT تمایل دارند پس از تراش ، یک الگوی فلورسانس به شکل ضربدری روی تاج یا پاویلیون خود نشان دهند. الماس های سنتتیک CVD هنگام مشاهده از فست‌های پاویلیون ، ممکن است یک الگوی کرنشی (راه راه) نشان دهند. رنگهای رایج فلورسانس شامل سبز ، زرد-سبز ، زرد ، نارنجی و قرمز است.

برخی از الماسهای مصنوعی ممکن است پس از خاموش شدن لامپ فرابنفش برای یک دقیقه یا بیشتر بدرخشند. به این فسفرسانس گفته می شود و معمولاً فقط در الماس های سنتتیک دیده می شود.

در GIA ، آنها از یک ابزار تصویربرداری فلورسانس به نام DiamondView™ برای بررسی الماس استفاده می کنند. این ابزار الگوی رشد درون بلورهای الماس را نشان می دهد.

وقتی که صحبت از شناسایی الماس می شود ، چالش واقعی در تشخیص الماس های ریز کمتر از 0.1 قیراط است که به آن مِلی (melee) می گویند. الماس‌های مخراجی ریز در تجارت جواهرات در قطعات صدها تا هزاران در پک های بارخانه‌ای به فروش می رسد. برخی از بسته ها ممکن است شامل الماس های مصنوعی طبیعی و CVD / HPHT باشند.

برای مقابله با این چالش ، GIA GIA iD100® ، ابزاری برای آزمایش خودکار الماسهای بسیار کوچک که برای خرید در دسترس است ، توسعه داده است. به عنوان بخشی از تحقیقات مداوم آنها در مورد الماس مصنوعی ، GIA دارای یک امکان رشد CVD است که در آن، آنها الماس های مصنوعی CVD خود را برای مطالعه تولید می کنند.

با پیچیدگی روزافزون فناوری الماس‌های مصنوعی ، دانشمندان GIA با تکنیک های آزمایش و تحقیق پیشرفته که به طور فزاینده ای پیشرفته هستند ، ادامه می دهند. برای اینکه از هویت الماس خریداری شده مطمئن شوید ، مطمئن شوید که یک الماس با ریپورت GIA خریداری و اطلاعات الماس را در شناسنامه با دقت بخوانید.

منابع