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西諾
高級超級版主 | 2009-5-20 19:44:28



木炭與鑽石都是由碳原子組成的,因為原子的排列方式不同,而形成截然不同的外觀。



第一顆人造鑽石

美國通用電器公司的英文名稱是 General Electric Company,在美國一般都簡稱 G.E.,臺灣音譯為奇異公司。奇異公司的研發部門有一個研究小組致力於人造鑽石的研究,他們把布氏壓砧加以改良,在兩個壓砧側邊以鋼圈圍住。這種改良的布氏壓砧就是奇異公司的高壓利器,搭配高溫的設施,終於在西元 1954 年聖誕節前成功地製造出第一顆人造金剛石。

他們使用的原料包含硫化鐵、金屬鉭(Ta)以及石墨。在高溫高壓狀態下(攝氏 1,600 度及 70 Kbar),鉭先與硫化鐵反應形成硫化鉭,還原出來的鐵成為熔化石墨的助熔劑,熔化的石墨在壓力的驅動下逐漸結晶出鑽石(高壓的碳穩定晶相)。

要特別提出來說明的是,第一顆人造鑽石其實在西元 1953 年便出現在歐洲。當年二月在瑞典一家簡稱 ASEA 的電器公司(Allamanna Svenska Elektriska Aktiebolaget,可譯為瑞典通用電器公司)裡,馮普拉屯(Baltzar von Platen)所領導的研發小組成功研製出第一顆人造金剛石。

ASEA 高壓設備的重要部分,基本上是把一立方體均分成六個金字塔形狀的四角錐,每個四角錐的尖端略微磨平,再把這六個去除尖端的四角錐拼湊回去,中央的空隙部位就成了高溫高壓反應室。整個立方體組合再置放於大壓力機中加壓。

不同於奇異公司以電阻加熱產生高溫,ASEA 採用燃燒劑(過氧化鋇加金屬鎂),以化學反應產生高溫環境。燃燒劑雖可以產生更高的溫度,但由於燃燒劑有一定的壽命,燃燒完畢,高溫條件便無法持續,因此合成鑽石的有效時間每一次只有幾分鐘而已。ASEA合成鑽石的溫度、壓力條件是攝氏 2,670 度及 80 ~ 90 Kbar。

讀者也許要問,既然都已經成功地製造出金剛石,為什麼又不宣布或申請專利權呢?原來 ASEA 當初擬訂的目標是培育寶石級的大顆人造鑽石,1953 年所合成的鑽石微晶尚未超過一毫米,怎能算是成功呢?因而並未公開發表或申請專利。相對地,奇異公司體認到人造鑽石的工業應用潛力,因此在西元 1955 年初便舉行發表會,說明他們努力的成果,同時不久也獲得 25 年的專利製造權。

震波合成技術

奇異公司在1955年宣布的人造鑽石技術須使用鐵、鎳等過渡元素當作助熔劑,因此稱為高溫高壓觸媒法。到了 1961 年美國杜邦公司研發出一種不需加觸媒,直接在高溫高壓下把石墨轉換成鑽石的技術。

杜邦合成鑽石的溫度仍在攝氏 1,000 度左右,不過採用的是爆炸法,壓力可以高達 300 ~ 400 Kbar,比奇異公司的 60 ~ 70 Kbar高出許多。炸藥引爆的壓力雖大,但是反應時間僅達微秒(百萬分之一秒),因此所合成的鑽石晶粒十分微細,從 50 微米到小於一微米(百萬分之一米)都有,所以又稱為鑽石粉,主要用於研磨工業。

有一點要提出來的是,由於壓力在瞬間消失,而溫度並沒有像壓力那樣快速下降,剛剛形成的微粒鑽石有可能因為低壓高溫的作用又變回石墨。為了防止這種反應,在震波法中,須把散熱物質如銅粉混入石墨原料中,那麼在壓力消失時,溫度也可以迅速下降,使新生成的鑽石不至於轉變回石墨。

化學氣相沉積法

在 1960 年代初期,美國人愛佛索(William G. Eversole)與俄國人狄亞金(Boris V. Derjaguin)分別獨立研發出鑽石的低壓介穩合成技術。但這種鑽石合成法在當時由於技術尚未成熟,而且高溫高壓觸媒法已經進入生產線開始量產,因此並未受到太多的重視。一直到 1980 年以後,日本、歐洲、臺灣以及美國相繼投入研發,到 2000 年時已有部分技術應用於工業界。這裡所稱的低壓,大約從接近真空到 100 torrs(一大氣壓 = 760 torrs) 左右,這原本是石墨晶相的壓力範圍,居然也可以生長出鑽石,的確有些奇特。

因為不是在鑽石的穩定壓力下培育鑽石,所以稱為介穩定合成技術。它的主要原理是把含碳氣體如甲烷(CH4)以及氫氣通入低壓的反應室,在反應室內 CH4 透過高溫(約攝氏 2,000 度的鎢絲)或微波的裂解生成CH3、CH2、CH,乃至於碳原子,這些碳或碳氫基沉積在溫度較低(攝氏 900 度或更低)的基板上面,基板可以是鑽石晶種、各類金屬、玻璃、矽晶片或其他材料。沉積到基板上的碳除了形成 sp2 鍵外,也會形成 sp3 鍵,因此鑽石與石墨會同時生長在基板上。

雖然高溫氫氣裂解所產生的氫原子會侵蝕鑽石及石墨晶體,但是氫原子侵蝕石墨的速率遠超過侵蝕鑽石的速率,或者說在氫原子環境下鑽石比石墨穩定,因此經過一段時間的培育,基板上便長出鑽石薄膜。這種鑽石薄膜的生長速率一般是每一小時一微米左右,厚度可以由 10 微米到一毫米。順便一提的是,太空中所發現的奈米鑽石的形成機制,有不少人把它歸類於化學氣相沉積的生長機制。

鑽石薄膜的應用

化學氣相沉積的鑽石薄膜培育技術,為人類帶來無限的發展願景,因為它不需要巨大的壓力機械設備,原料只要含碳物質和氫氣,一臺微波爐加上簡單的低壓裝備,便可以製造鑽石薄膜。幾年前紐約時報曾經報導家庭主婦在廚房便可以輕易製造鑽石薄膜,前一陣子國內幾家報紙也大幅報導牛糞變鑽石。

由於鑽石的硬度居所有物質之冠,試想如果在眼鏡鏡片上面蒸鍍一層透明的鑽石薄膜,便可擁有一副不怕刮傷磨損的超級眼鏡,永遠不需更換鏡片。同樣地,廚房的切刀如果蒸鍍上一層鑽石薄膜,不僅可大幅增加使用效率,使用壽命也因而得以延長。

目前實際的工業應用主要包括材料表面性質的改良,例如音響內部的振動器鍍上鑽石薄膜後,不僅更耐用,還可以提升音質、減少聲音失真。研磨切削工業也是受益者,一般金屬或合金切削刀具在表面鍍上鑽石薄膜後,不僅使用效率大幅提升,也無形中增加了刀具的使用年限。

比較具革命性的工業應用之一是製造耐高溫、抗腐蝕的鑽石半導體。由於大型積體電路的需求,使得傳統的矽晶半導體單位面積上的電子元件密度越做越高,造成散熱不良的問題。如果用鑽石晶圓取代矽晶圓,靠著鑽石的優異傳熱效率,散熱不良的問題便可迎刃而解。

因為鑽石有很大的能帶隙和化學惰性,所以具有耐高溫、抗腐蝕的特性,更擴增了鑽石半導體在惡劣環境中使用的可能性。因此以鑽石晶圓取代矽晶圓,所製造的半導體元件如電晶體或電腦中央處理器等,會有更高的開關頻率和更高速的運算能力,而且可用在高溫的引擎內。人類進入鑽石半導體時代,應該就在不遠的將來。

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james5441
侯爵 | 2009-6-24 17:52:33

所以我也買的起一堆鑽石耶!!

雖然不太美觀!
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kilvins
男爵 | 2009-6-26 03:07:24

我家也一堆鑽石了
謝謝大大的分享
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dek2738364
騎士 | 2009-6-29 13:52:36

一般人分不太出來吧
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fox_jun
見習騎士 | 2009-6-29 15:23:45

謝謝大大無私的分享!!!!!!!!!!!
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EZIV1994
侯爵 | 2009-6-30 14:38:13

那以後買鑽石再也不是有錢人的權力了...

以後我們也可以買一大堆鑽石了:P
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pat_5003
大親王 | 2009-6-30 16:16:33

VERY MODERN TECHNOLOGY. PROFESSIONAL.
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YK7A6C35
男爵 | 2009-7-5 18:18:58

可惜不是真的鑽石!!!
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gucci9917
伯爵 | 2009-7-5 19:26:06

那以後買鑽石再也不是有錢人的權力了{:3_359:}
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syd97965
見習騎士 | 2009-7-6 20:01:23

我有好多...
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