Úvod
Chemická depozícia z plynnej fázy (CVD) je druhou hlavnou metódou na výrobu laboratórne vytvorených diamantov drahokamovej kvality. Zatiaľ čo HPHT napodobňuje zemský plášť – extrémny tlak, extrémne teploty, prostredie roztaveného kovu – CVD pristupuje k veci zásadne inak. Rastie diamant z plynu, pri nízkom tlaku, v plazmovej komore, pričom ukladá atómy uhlíka vrstvu po vrstve na plochý diamantový zárodok.
Výsledkom je iný typ kryštálu. CVD diamanty rastú ako ploché platne, nie ako zaoblené formy rastu HPHT. Neobsahujú žiadne kovové inklúzie. Pod zväčšením bývajú čistejšie, ale nesú si vlastnú sadu identifikačných znakov – rastové ryhy, špecifické defektné centrá a hnedú farbu v surovom stave, ktorá zvyčajne vyžaduje post-rastovú úpravu na korekciu.
CVD sa stala dominantnou výrobnou metódou pre laboratórne vytvorené diamanty drahokamovej kvality. India vedie vo výrobe, za ňou nasledujú Spojené štáty, Čína a Izrael.
Proces rastu
Komora
CVD reaktor je vákuová komora, typicky valcová, vybavená mikrovlnným generátorom. Komora obsahuje plochú diamantovú zárodočnú platňu — tenký plátok diamantu, ktorý slúži ako substrát, na ktorom bude rásť nový diamant. Do komory je možné umiestniť súčasne viacero zárodkov, čo umožňuje paralelné rastenie viacerých kryštálov.
Chémia plynov
Komora je naplnená zmesou plynov:
- Metán (CH₄) — zdroj uhlíka, typicky tvorí 1–5 % plynnej zmesi
- Vodík (H₂) — dominantný plyn, slúžiaci viacerým účelom: leptá neodiamantový uhlík (grafit, amorfný uhlík), ktorý sa tvorí popri diamante, a stabilizuje rastúci diamantový povrch
Dodatočné plyny môžu byť zavedené na špecifické účely. Malé množstvo dusíka môže urýchliť rast (za cenu farby). Plyny obsahujúce kyslík môžu zlepšiť kvalitu kryštálov.
Aktivácia plazmy
Mikrovlnná energia ionizuje plynnú zmes na plazmu — prehriaty stav hmoty, kde sa molekuly rozkladajú na svoje atómy a ióny. Teplota plazmy v blízkosti povrchu zárodku dosahuje 700 – 1 000 °C, čo je oveľa menej ako teploty používané pri HPHT, ale dostatočné na to, aby poháňali chémiu rastu diamantu.
V plazme sa molekuly metánu disociujú na atómy uhlíka a vodík. Uvoľnené atómy uhlíka klesajú nadol a viažu sa na povrch diamantového zárodku, čím rozširujú kryštálovú mriežku jednu atómovú vrstvu po druhej. Medzitým atómy vodíka neustále leptajú akýkoľvek neodiamantový uhlík, ktorý sa tvorí, čím zaisťujú, že sa akumuluje iba diamantová fáza.
Podmienky rastu
- Teplota: 700–1 000 °C na povrchu zárodku
- Tlak: 10–200 Torr (oveľa nižší ako 5–6 GPa pri HPHT — približne atmosférický tlak alebo nižší)
- Rýchlosť rastu: Až 0,2 mm za hodinu za optimalizovaných podmienok
- Čas rastu: 3–4 týždne pre kryštály drahokamovej kvality, často s cyklami zastavenia a opätovného spustenia na riadenie kvality kryštálov
Nízkotlakové prostredie v plynnej fáze dáva CVD jeho výrazné výhody a obmedzenia. Žiadny kovový tok znamená žiadne kovové inklúzie. Vrstva po vrstve rast však produkuje rôzne druhy defektov.
Rast a morfológia kryštálov
CVD diamanty rastú ako tabuľkové kryštály — ploché platne, ktoré sa rozširujú laterálne od zárodku, namiesto toho, aby rástli smerom von do všetkých strán ako HPHT alebo prírodné oktaedrické kryštály. Kryštál sa rozširuje nahor z povrchu zárodku, vrstvu po vrstve, pričom každá nová vrstva dedí kryštalografickú orientáciu tej pod ňou.
Tento rastový vzor vytvára charakteristické vnútorné znaky. Pod krížovo polarizovaným svetlom alebo fluorescenčným zobrazovaním často CVD diamanty vykazujú páskovanie alebo ryhovanie rovnobežné so smerom rastu — viditeľné vrstvy zaznamenávajúce cykly zastavenia a opätovného spustenia a meniace sa podmienky rastu počas výroby.
Tabuľková morfológia tiež znamená, že surové CVD diamanty sa typicky brúsia inak ako surové HPHT alebo prírodné diamanty. Plochý rastový habitus vyhovuje určitým brúsnym orientáciám a môže ovplyvňovať dostupné tvary a proporcie pri danej karátovej hmotnosti.
Charakteristické znaky
Rastové ryhy
Najrozpoznateľnejší vnútorný znak CVD diamantov pod zväčšením alebo fluorescenčným zobrazením. Objavujú sa ako jemné paralelné čiary alebo pásy v rámci kryštálu, odrážajúce vrstvený proces rastu. Sú viditeľné pod fluorescenčným zobrazovaním DiamondView a niekedy aj pod štandardnou mikroskopiou.
Defekt kremíkovej vakuoly (SiV⁻)
Defektné centrum špecifické pre CVD diamanty, spôsobené kontamináciou kremíkom zo stien komory alebo držiaka zárodku. Centrum SiV⁻ produkuje charakteristický dublet v fotoluminiscenčnej spektroskopii pri 736,6 a 736,9 nm. Tento spektroskopický podpis je jedným z najspoľahlivejších identifikačných značiek pre CVD pôvod.
Farba po raste
Väčšina CVD diamantov vytvorených komerčne životaschopnými rýchlosťami je v surovom stave hnedá. Hnedá farba je výsledkom zhlukov vakuol a iných mriežkových defektov, ktoré vznikajú pri rýchlom raste. Spomalenie rýchlosti rastu zlepšuje farbu, ale znižuje efektívnosť výroby. Komerčným riešením je post-rastová HPHT úprava — pozri Post-rastové spracovanie.
Čistý vnútorný vzhľad
Pretože rast CVD prebieha v plynnom prostredí bez kovového toku, CVD diamanty neobsahujú žiadne kovové inklúzie. Mnohé sú pod zväčšením pozoruhodne čisté — niekedy až podozrivo čisté pre štandardy klasifikácie prírodných diamantov, kde sa očakáva určitý stupeň inklúzií. Samotná absencia kovových inklúzií aj prírodných minerálnych inklúzií (granát, olivín) je diagnostickým indikátorom.
Rozsah a geografia
India je dominantným producentom drahokamových CVD diamantov, podporovaná zavedenou infraštruktúrou na brúsenie a leštenie diamantov. Spojené štáty, Čína a Izrael sú tiež významnými výrobnými centrami.
Technológia CVD reaktorov rýchlo pokročila. Boli hlásené jednotlivé kryštály presahujúce 13,5 karátu a v jednej komore je možné súčasne vyrábať viacero kameňov. Výrobné náklady naďalej klesajú, keďže sa zlepšujú konštrukcie komôr a zvyšujú sa rýchlosti rastu.
Často kladené otázky
Ako dlho trvá rast CVD diamantu?
Typický CVD kryštál drahokamovej kvality rastie 3–4 týždne, často s cyklami zastavenia a opätovného spustenia na riadenie kvality kryštálu. Rýchlosť rastu za optimalizovaných podmienok dosahuje až 0,2 mm za hodinu.
Prečo je väčšina CVD diamantov po raste hnedá?
Rýchly rast vytvára zhluky vakuol a mriežkové defekty, ktoré absorbujú svetlo a vytvárajú hnedý odtieň. Približne 80 % CVD diamantov predložených GIA prešlo post-rastovou HPHT úpravou na odstránenie tejto hnedej farby.
Ako rozoznať CVD diamant od prírodného?
Medzi primárne indikátory patria rastové ryhy viditeľné pri fluorescenčnom zobrazovaní, spektroskopický podpis SiV⁻ pri 736 nm, absencia prírodných minerálnych inklúzií a výrazné fluorescenčné vzory pri zobrazovaní DiamondView. Pozri Prehľad spektroskopie a Fluorescenčné zobrazovanie.
Môžu byť CVD diamanty rovnako veľké ako prírodné diamanty?
Technológia CVD vyprodukovala jednotlivé kryštály presahujúce 13,5 karátu. Hoci väčšina produkcie sa zameriava na rozsah 1–3 ct pre komerčnú efektivitu, horná hranica veľkosti sa neustále zvyšuje.
Zhrnutie
Rast CVD diamantov spočíva v depozícii uhlíka z metánovej plazmy na plochý diamantový zárodok pri nízkom tlaku a strednej teplote – zásadne odlišný proces od vysokotlakovej metódy s kovovým tokom používanou pri HPHT. Výsledkom je tabuľkový kryštál, ktorý rastie vrstvu po vrstve, často bez inklúzií, ale nesie výrazné znaky: rastové ryhy, defektné centrum SiV⁻ a hnedú farbu po raste, ktorá zvyčajne vyžaduje post-rastovú úpravu. CVD sa stala dominantnou metódou na výrobu laboratórne vytvorených diamantov drahokamovej kvality, na čele s Indiou, pričom veľkosti kryštálov, rýchlosti rastu a efektivita výroby sa neustále zlepšujú.