比白菜还便宜？且看中科院的钻石是如何“种”出来的

“钻石恒久远，一颗永流传”，这句广告语让钻石成了不少人眼中的爱情信物。

可钻石与黑不溜秋的石墨一样，都是碳的同素异形体。科学家尝试在实验室里“种”出钻石，正是希望让这种材料以更低的成本进入生产和生活。

中科院宁波材料技术与工程研究所的李赫讲过钻石的前世今生。

钻石的别名叫金刚石，宝石级的金刚石被称作钻石。它一开始被发现就跟权力和财富联系在了一起，很长时间里，钻石是王室展示权势的物品。

后来钻石逐渐走入寻常百姓家。戴比尔斯公司主营钻石产品，1947年提出广告语"A diamond is forever"。当时二战刚结束不久，美国经济繁荣，想结婚的青年男女也非常多，这句广告语把钻石跟纯洁的爱情连接在一起，促使销量大幅增长。

流入中国后被翻译成"钻石恒久远，一颗永流传"，钻石也被当作定情信物，很多婚礼都有新郎给新娘戴钻戒的环节。

其实钻石就是碳，和铅笔芯是一家子。石墨排得松散、层层叠叠，又软又黑；钻石排得紧密规整，形成立体网络，又硬又透亮。

科学家考察钻石矿场发现，很多钻石矿都在火山口附近。

地质学家进一步研究发现，地幔中、离地表大约150到200公里附近的化学物质，在高温高压下不断挤压，经千百万年缓慢的物理化学变化，再经火山喷发到地面，迅速冷却形成钻石。有时雨水会把钻石从山上冲下来，水流变缓时沉积在河床。

另一个方向是，调研发现钻石很可能是天外来客带来的礼物。俄罗斯东西伯利亚一个大型金刚石矿场发现了巨大的陨石坑，坑里就有很多钻石。

天外来客到达地球的速度非常快，接触也很粗暴，产生的爆炸释放的能量相当于几百颗原子弹同时爆炸，撞击附近就形成了钻石很喜欢的环境。

18世纪末期，人们发现钻石的主要成分是碳元素，跟貌不惊人的石墨是同宗兄弟。能否把便宜且储量丰富的石墨转化成稀少昂贵的钻石，由此开始了探索。

碳的相图上，温度高、压力大的区域是钻石稳定形成的区域，另一区间则是石墨稳定、钻石不稳定。用高温高压模拟地球内部的环境，就应能获得人造钻石。

最初开展这项工作的是美国通用电气公司，他们用两面顶压机合成出高温高压法的人造钻石。

石墨转化成钻石本来要耗费千百万年，人们发现铁、钴、镍这类金属元素对转化有很好的催化作用，加入熔媒金属后速度大大加快；得到的不是大块金刚石，于是又加入一颗小小的金刚石种子，逐渐获得了大块金刚石。

现在常用的六面顶压机从六个方向对石墨挤压，得到的金刚石就是常见那种有点发黄的样子。

2015年俄罗斯一家公司用这个办法熬了三百个小时，造出一颗三十二克拉的大家伙，切割后还剩十克拉。但这种压力机动辄几千吨重，耗电惊人，品相总差一口气。

之后另一批美国人采取了CVD法、即化学气相沉积法来实现单晶金刚石的生长。设备主要是一个炉子，里面要能提供能量、通入碳源，还有托盘放置金刚石籽晶。

微波提供能量，就像太阳；甲烷像沉积的雨露；当太阳照在雨露上，甲烷变成了碳和氢的等离子体，碳的等离子体像雨一样浇在种子上生根发芽。

碳到达种子表面后形成的更多是石墨相，这时需借助氢气像高压水龙头把石墨清除掉，就获得了很好的单晶金刚石。高温高压法含氮多，钻石显得发黄；CVD法比较好控制，钻石颜色透明，想制备两克拉以上的大钻石，CVD法是更好的选择。

据李赫当年讲述中的介绍，当时功能碳素材料团队大概有四十几人，一直在实验室里种钻石。最大的难题是缺少工具：高品质单晶金刚石所需装备从日本进口，换成人民币大概需要300万元，而且不配套工艺——给了炉子还要自己开发配方。

团队成功在国产CVD装备上配套了合适的工艺，价格仅相当于国外的十分之一，由此把CVD生产金刚石进行了产业化，承接产业化的宁波晶钻公司每年产钻石能达到20万克拉。

另一个难题是籽晶的获得。天然钻石籽晶片只有3毫米乘3毫米、7毫米乘7毫米这样的大小。团队在国产装备上制备出7乘7毫米的金刚石，第一次一次性合成9颗，经工艺调整增至21颗，当时已可一次性合成28颗，已接近理论极限。

想要英寸量级的大金刚石，就把较小的籽晶片精细研磨抛光后拼接成大片，再沉积向上生长，长到一定厚度就用激光把下面有缺陷的部分切割掉，反复进行。

国外拼接法合成的金刚石片上还有很多缝隙，团队做的背面有大概7微米的缝隙，正面已看不到，并在此基础上拿到了无缺陷的大面积单晶金刚石籽晶。

有人问做这些单晶金刚石到底要干什么用。中国俗语"没有金刚钻，不揽瓷器活"，机械硬度是金刚石作为工具的一个很好特征。金刚石刀具对铝合金切削，就能得到表面光滑、能反射出镜面效果的零件。中国天眼FAST下边的铝合金支架加工也采用了金刚石刀具。

复杂工件用传统方法耗时很长还要精密研磨抛光，使用金刚石精密加工刀具后效率大幅提高，不需要再精密研磨。

人造钻石还有很多应用。作为激光拉曼晶体，金刚石对多种光透过率都非常好，散热能力远优于其他单晶；通过单晶金刚石激光可获得拉曼增益，调节波长得到黄色激光，可用于远程激光信息传输，也是对人眼安全的激光，可用于眼科手术。

摩尔定律指芯片每18个月集成度加倍、成本减半，但硅芯片上集成的晶体管已接近极限，高功率芯片受制于温度，硅的散热能力跟金刚石差很多。下一代芯片可能就是以金刚石作为热沉基板的碳基芯片，可能给计算机行业带来颠覆性成长。

此外还可利用金刚石做太赫兹光学窗口，以及通过金刚石与表面石墨烯的原位转化形成异质结构，用来做高能辐射粒子的探测。

金刚石里的碳呈正四面体结构，若某个位置的碳被氮原子取代就易形成空穴，这种氮加空穴的结构叫NV色心，能发出荧光：NV0和NV负在不同光激发下，600多纳米发红光，中心越多颜色越浓，可形成彩钻；500多纳米发黄绿光。

中科院杜江峰院士团队正用这种NV色心技术实现微观世界的量子传感，金刚石可能是一种量子材料，未来会开启量子时代。

李赫总结说，钻石的前世是自然界对人类的慷慨馈赠，今生是人类伟大的发明创造，希望通过科学家的研究打破"钻石恒久远"的神话，让大家早日过上钻石自由的生活。