人造鑽石如何製作？

2008-10-16 09:37 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。