希望我们的研究，能让大家早日实现情人节送礼自由 | 李赫

钻石的前世，

是自然界对人类的慷慨的馈赠。

钻石的今生，

是我们人类伟大的发明创造。

李赫 ·  中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员

大家好！一提起钻石，大家都知道它是一个奢侈品，但是对于钻石真正的应用可能并不是所有人都非常熟悉。所以今天在这里，我给大家来做一个汇报，讲一下钻石的前世今生。

我是李赫，来自于中科院宁波材料技术与工程研究所。

实际上钻石还有一个小名或者别名，叫金刚石，宝石级的金刚石。我们称作为钻石。它在最开始被发现时就跟权力和财富联系在了一起。

▲ 上：光之山钻石105.6克拉

下：非洲之星 520.2克拉

尤其是英国王室，他们就很喜欢钻石。在英国女王登基的时候，她手持权杖，头戴王冠。在这个王冠上就镶嵌了一颗一百多克拉的钻石，叫光之山钻石。而她手里拿的权杖上，镶嵌的那颗大钻石“非洲之星”更是重达520多克拉。这两颗钻石，都来自同一颗天然钻石“库里南一号”。

这么大的钻石非常稀有。可以说在很长的一段时间里，钻石一直是属于王室的，是一个很尊贵的、展示权势的物品。

后来钻石开始逐渐走入寻常百姓家里。

有一个公司叫做戴贝尔斯，戴贝尔斯公司的主营业务，就是钻石和钻石的产品。他们为了推广自己的钻石，首先在1939年的时候推出了一个4C规则。

这个4C规则，就包括了钻石的重量，用克拉来衡量它的颜色、纯净度以及切工。4C规则就给钻石了做了一个价格上的定义，通过这些定义把每个不同的钻石，都标注了不同的价格。

最令人印象深刻的就是在1947年的时候，公司提出了一个广告语，叫做“A diamond is forever”。

这个广告语的提出，实际上是响应了当时的背景的。1947年的时候，二战刚刚结束不久，美国的经济是非常繁荣的，想结婚的青年男女也是非常多。当“A diamond is forever”的广告语提出之后，就把钻石跟纯洁的爱情联结在了一起，因此促使它的销量大幅度地增长。

这句广告语流入了我国之后，由于我们汉语的表达非常丰富，就把它翻译成了“钻石恒久远，一颗永流传”。

这一下更不得了。在中国也把钻石当作定情的信物。现在在结婚的时候，好多婚礼上都有一个环节，就是由新郎给新娘戴上钻石戒指。

天然钻石的形成

大家可能不禁要问，这么稀有的钻石，它到底是怎么来的？

科学家们考察了钻石的矿场，他们发现很多的钻石矿，都是在火山口附近。后来有地质学家，又进一步地深入研究，发现在地幔处，也就是说在离地表，大约150公里到200公里的地方。

这附近的化学物质，在高温和高压的作用下被不断地挤压，经过了千百万年，不断缓慢地发生物理化学变化，经过火山的喷发它们就来到了地面，在火山口马上冷却下来就形成了钻石。

有的时候会下一些大雨，雨水会把钻石从山上冲击下来，到达河流。当水流变缓的时候，这些钻石就沉积在河床上，所以现在很多的钻石矿，基本上都是在火山口附近，或是在附近的河床里。这是地球母亲对人类的馈赠。

另一个方向就是，人们在金刚石矿场调研矿石的时候，发现它们很可能是天外来客给我们带来的礼物。

比如说在俄罗斯东西伯利亚的一个大的金刚石的矿场，人们发现了巨大的陨石坑，在这个陨石坑里面，就发现了很多的钻石。

因为每年，都有非常多经过地球的天外来客。我们有的时候在夏天会看到很多的流星雨，这些都是天外来客经过地球的一个场景。

有一些天外来客可能想在地球上歇歇脚，于是就到了地球上，它们到达的速度是非常快的，跟地球的接触也是很粗暴的。这样就产生了一个巨大的爆炸释放出来的能量，大概相当于几百颗原子弹同时爆炸的能量。

因此在陨石撞击的附近，就一下子形成了一个钻石很喜欢的环境，就形成了钻石矿。

钻石是不是能够人工合成？一直是我们科学家所想探讨的一件事情。

受到钻石成因的启发，那我们可以按照地球母亲做钻石的环境，以及天外来客给我们带来钻石的环境，模拟那个现场，能不能做出钻石？于是人们就又进行了深入的研究。

▲ 上：石墨

下：金刚石

在18世纪末期的时候，人们发现亮闪闪的钻石的主要成分就是碳元素，它跟貌不惊人黑黢黢的石墨，实际上是同宗的兄弟，可以说是一母同胞。

那么我们是不是可以把便宜而且储量特别丰富的石墨，转化成稀少的昂贵的钻石？人们进行了一些探索。

首先我们来看这一张彩色的图片。

这是一张碳的相图，我们可以看到在白色的区域里面，一般来讲这个地方的温度比较高，压力也比较大。在这个区间里面，是一个钻石稳定形成的区域，而下方红色的区间，是石墨比较稳定，钻石亚稳定的状态。

于是可以想象，如果我们用高温和高压模拟地球里面的环境，就应该可以获得我们想要的人造钻石。

▲ 1954年12月，GE公司采用HTHP法制备钻石

最初开展这个活动的，就是美国的GE公司，他们采用了一个两面顶的压机，成功地用高温高压法合成出了人造的钻石。

▲ 人造钻石⸺ 高温高压法（HTHP）

我们来看一下，当时他们所用的装置，是上下有两个顶的，用来施加压力，在中间的腔体部分，外面包着一个加热的装置，用电来进行加热实现高温。

我们再看这个腔体放大的部分，我们知道石墨是所用的原材料，通过高温高压，要把石墨转化成钻石，那是要耗费千百万年的，但是人类寿命很短也等不起。大家也很心急，怎么办？

我们就发现了铁、钴、镍这一类的金属元素，对于石墨转化成为金刚石，有很好的催化作用，它能大大加速转化的过程。于是在这里，我们又把它加入了溶媒金属，就是这类的金属仅仅加入溶媒金属，确实大大加快了转化的速度。

可是得到的金刚石，却不是我们想要的那种大块的金刚石。于是人们在里边，又加入了一颗小小的金刚石的种子，用这颗种子最后获得了大块的金刚石。

我们现在看到的是一个叫做六面顶压机的设备，这是现在生产人造金刚石比较常用的设备。它从上下左右前后六个方向，对石墨进行挤压，得到的金刚石，就是这张图片上这样，有点发黄的金刚石。

▲ 1965年开始，美国凯斯西储大学尝试用CVD法制备钻石

我们再回头看，当时用高温高压法实现了人造金刚石的合成之后，有另外一批人，也是美国人，他们采取了另一种方法，叫做CVD的方法，也就是化学气相沉积的方法，来实现单晶金刚石的生长。他们在一个管式炉里面，通过了一些气体，加温还通入含碳的气体，然后在里面实现了少量的人造金刚石的生长。

▲ 人造钻石⸺ 化学气相沉积法（CVD）

我们来看一下，现在我们用的化学气相沉积的设备，主要就是一个炉子，在这个炉子里面，要能够提供能量，而且要有能够往里通路的碳源。然后还要有一个托盘，托盘上面就是金刚石的籽晶，我们也把它当作金刚石的种子。

另外微波是提供能量的，可以把它看作是太阳，可以把甲烷看作是沉积的雨露。当太阳照在雨露上，就把甲烷变成了碳的等离子体、氢的等离子体。碳的等离子体，就像雨一样浇在这个种子上，在上面生根发芽。

实际上这个碳，在到达了金刚石的种子上之后，更多的形成的是石墨相。是石墨，而不是金刚石，金刚石比较少。这时候就需要介入氢气。

这个氢气就像一个高压的水龙头，把石墨从表面清除掉，这样我们就获得了很好的单晶金刚石。

我们看到高温高压法和CVD法都能够实现人造钻石的制备。

但是高温高压法，由于很多时候里面含有大量的氮元素。因为空气中有大量的氮，所以它显得有些发黄，而一般来说CVD法比较好控制，而且这样得到的人造钻石，颜色是比较透明的。

而且CVD法相对于高温高压法，还有个更大的好处，就是当我们想要制备更大的钻石时，尤其是两克拉以上的钻石，CVD法是一个更好的选择。

实验室里“种钻石”

我们团队就一直在尝试在实验室里面种钻石。我们的团队叫做功能碳素材料团队，顾名思义，我们研究的就是碳和跟碳相关的材料。

▲ 左：功能碳素材料团队

右：国产CVD装备

我们这个团队现在，大概有四十几人，我们在刚开始种钻石的时候，首先面临着一个最大的难题，就是缺少工具。

大家都知道，“工欲善其事，必先利其器”。我们没有合适的装备。当时在国内，想要合成出高品质的单晶金刚石，需要采用的装备一般是从日本进口。

这种装备是非常昂贵的，换算成人民币大概需要300万人民币，而且它还不配套相应的工艺，就是给了你这个炉子还要自己去开发配方。

于是我们就对这个进行了研究，经过研究之后成功地在我们国产的CVD装备上，配套合适的工艺，生产出了单晶金刚石。国产的装备价格相当于国外装备的十分之一，这样我们就能够把CVD生产金刚石，进行产业化。

到目前为止，承接我们产业化过程的公司，叫宁波晶钻。它每年年产的钻石，能达到20万克拉，已经是相当可观的。

而且，在另一个方向上，我们碰到的另一个难题，就是单晶金刚石的籽晶的获得。实际上在制备金刚石的过程中，我们需要的最初的种子，是从天然的钻石里获得的。

大家都知道，一般来说天然钻石都比较小，所以我们获得的天然的金刚石的籽晶片也都不大，有的是3毫米×3毫米的，7毫米×7毫米的，一般也就是这样的大小。

所以，我们在种钻石的过程中，就需要培育出优质的种子。也就是说我们要想办法获得大的金刚石的种子，然后再进行金刚石的制备.

经过一段时间的研究，我们成功在国产的装备上制备出了7×7毫米的金刚石。第一次一次性可以合成出9颗，但是我们觉得这个跟理想的状态还相距甚远，于是又进行了工艺的调整和研发。

很快，我们就实现了在一次性制备中拿到21颗单晶金刚石，也就说明我们的生产效率提高了很多，但是这个离理想状态，即计算的状态，还有一定的差距。

后来我们又进行了调整，目前可以一次性地合成出28颗单晶金刚石，这已达到了计算的接近理论的极限了。

刚才我也讲到，我们想要的单晶金刚石是越大越好。

▲ 英寸量级人造单晶金刚石

因此，我们一直在尝试英寸量级的金刚石的制备，我们就用原来所获得的金刚石的籽晶片，它是比较小的。

把它进行精细的研磨、抛光，然后把它们拼接在一起形成一个大块的金刚石片，在这个上面，用我们的工艺去沉积，让它能够向上长厚。当长到一定的厚度之后，我们就停下来用激光把下面有缺陷的部分切割掉，然后再去重复这个过程，一次一次地重复。

我们可以看到这张图片，是国外报道的，一张用拼接法合成单晶金刚石的图片。这张图片上的金刚石片还是有很多缝隙的，也就是说它的缺陷还是很多的。

而这张图片，是我们自己做的单晶金刚石，我们可以看到它的背面，还是有一定缺陷的，是一个大概7个微米左右的缝隙。但是在它的正面，我们已经看不到这个缝隙了，我们就是在这个基础上，不断地进行合成、生长，最后拿到了没有缺陷的，大面积的单晶金刚石的籽晶。

没有金刚钻，不揽瓷器活

有很多人都问：“你们做了单晶金刚石，到底是要干什么用？”

我们中国有一句传统的俗语，叫做“没有金刚钻，不揽瓷器活”。也就是说金刚石，早就作为我们生产生活的一个工具了。比如说我们可以拿它来焗瓷。从这个角度上来讲，金刚石的机械的硬度，是我们利用它作为工具的一个很好的特征。

我们通过简单的切削的加工，就得到了这张图上表面非常光滑的一个零件，而且这个零件，都能够反射出来镜面的特性。

这张从下面往上照的图片，是天眼FAST。它下边的支架也是用铝合金来制造的，它的加工也都是采用的金刚石的刀具。

右上的这张大照片，是一个很复杂的工件的加工过程。如果用传统的加工方法，加工这样一个复杂工件，需要的时间是非常长的，而且还需要精密的研磨、抛光。可是使用了金刚石的精密加工刀具之后，我们的加工效率，得到了大幅度的提高，而且我们不需要再进行精密的研磨了。

除此之外 ，关于人造钻石，我们还有很多方面的应用。下面我举四个例子，这四个例子，是我们现在课题组里面，曾经或者是现在正在从事的一些研究工作。

▲ 上：激光晶体、芯片衬底和热沉基板

下：光学窗片、高能粒子探测器

比如说第一个，作为激光晶体。金刚石是一种具有很好的光学应用前景的光学晶体。它对于很多光的透过率都是非常好的，并且它具有其他晶体所不具备的优势。比如它的散热能力是非常好的，它的散热能力远远优于其它的单晶，而且在这里面，我们通过单晶金刚石的激光，就可以获得一个激光的拉曼增益。

我们用这种方法，可以去调节激光的波长。我们用这种办法，获得了黄色的激光。这个黄色的激光，一方面我们可以用它作为远程的激光的信息传输的载体，另一方面它也是一个对人眼安全的激光，可以用于眼科的手术。

我们都知道在计算机电子行业里面有一个很著名的摩尔定律。这个摩尔定律实际上是指，现在的器件，现在的芯片，每18个月它的芯片上的集成度就增加一倍，它的成本就降低一倍。

随着硅芯片的不断发展，到了现在，这个摩尔定律已经逐渐开始失效了。也就是说现在一个硅芯片上集成的晶体管，已经达到了几乎接近于极限的地步。这样的一个高功率的芯片是受制于它的温度的，它的热量无法散出，硅的散热能力跟金刚石比起来，差得很多。

因此下一代芯片，我觉得可能就是碳基的芯片，也就是说金刚石作为热沉积板的一种芯片。它可能会带来，计算机行业的一个颠覆性的成长。

另外，我们也可以利用金刚石的光学性质，将它做成太赫兹的光学窗口，以及利用金刚石和它表面的石墨烯的原位转化，形成金刚石—石墨烯的异质结结构，然后来做高能辐射粒子的探测器。

在这里我再介绍一下，金刚石有一个很有趣的现象，因为金刚石里的碳是呈正四面体的结构。

如果某一个位置上的碳，被空气中的氮原子所取代，在这里面就很容易形成一个空穴，即有一个氮，有一个空穴。这样的结构，我们把它叫作NV色心。

大家很奇怪，为什么叫作色心呢？就是因为这种结构的金刚石能够发出荧光。我们可以看到这张图，显示的就是金刚石的NV零和NV负。

这两个NV色心，它们可以在不同的光的激发下，发出不同颜色的荧光。在600多纳米的是红光，另一个是500多（纳米）的，它形成的是黄绿光，也就是说我们可以用这种办法制造彩钻。

▲ 人造钻石的应用⸺ 彩钻

用这种方法，我们就可以形成彩钻，它的NV中心越多，颜色就越浓。

并且现在我们中科院杜江峰院士团队，正在用这种NV色心的技术，去实现微观世界的量子传感。也就是说金刚石这种材料，也可能是一个量子材料，未来会带领我们开启一个量子的时代。

钻石的前世，是自然界对人类的慷慨的馈赠。钻石的今生，是我们人类伟大的发明创造。我也希望通过我们科学家的研究，打破钻石恒久远的神话，让大家早日过上钻石自由的生活。

谢谢大家！

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