Kim cương trồng trong phòng thí nghiệm được tạo ra bằng hai quy trình khác nhau: áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT) và lắng đọng hơi hóa học (CVD). Trong khi cả hai phương pháp đều sản xuất kim cương tổng hợp, điều quan trọng là phải hiểu sự khác biệt giữa kim cương HPHT và kim cương CVD và cách các quy trình này ảnh hưởng đến chất lượng kim cương.
KIM CƯƠNG NHIỆT ĐỘ CAO, ÁP SUẤT CAO (HPHT) LÀ GÌ?
Các tinh thể kim cương tự nhiên hình thành sâu dưới lòng đất, nơi có điều kiện áp suất cực cao và nhiệt độ cao. Đó là lý do tại sao kỹ thuật đầu tiên và lâu đời nhất để phát triển kim cương tổng hợp là mô phỏng môi trường tự nhiên với áp suất cao và nhiệt độ cao (HPHT).
Có ba kỹ thuật để nuôi cấy kim cương HPHT: ép đai, ép khối và chia tách khối cầu. Mục tiêu của mỗi loại là tạo ra một môi trường có áp suất cao và nhiệt độ cao, nơi kim cương có thể phát triển (áp suất trên 1,5 triệu pound/inch vuông và nhiệt độ trên 1400°C). Mỗi quá trình bắt đầu với một hạt của vật liệu kim cương được đặt trong carbon, nguyên tố mà tất cả kim cương đều được tạo ra và đặt dưới áp suất và nhiệt độ cực cao. Trong những điều kiện này, carbon tan chảy và hình thành một viên kim cương xung quanh hạt.
Viên kim cương HPHT có thể tái tạo đầu tiên được trồng trong phòng thí nghiệm được tạo ra bằng cách sử dụng máy dập đai của General Electric vào ngày 16 tháng 12 năm 1954. Viên kim cương này rất nhỏ và có nhiều hạt, vì vậy nó không thích hợp để sản xuất đồ trang sức. Điều đáng nói là ngay cả ngày nay hầu hết kim cương tổng hợpđược sản xuất đều không đạt chất lượng đá quý. Chúng được tạo ra cho các mục đích công nghiệp, nơi sử dụng các công cụ và thiết bị có đặc tính tuyệt vời (độ cứng, độ dẫn nhiệt, v.v.).
Với sự thành công của máy ép đai, công nghệ HPHT đã tiến bộ theo năm tháng; và máy ép khối và khối cầu chia nhỏ hiện đại đã được giới thiệu. Chúng hiệu quả hơn và được phép sản xuất những viên kim cương có chất lượng đá quý lớn hơn. Tuy nhiên, quy trình trồng kim cương HPHT rất tốn kém và tạo ra những viên kim cương chủ yếu có màu hơi vàng và hơi nâu do chúng tiếp xúc với nitơ trong quá trình hình thành.
Kim cương HPHT thường chứa các tạp kim loại như sắt, niken và coban, vì những kim loại này được sử dụng trong quá trình tăng trưởng, và đôi khi chúng xâm nhập vào tinh thể kim cương. Những tạp chất kim loại này có thể giúp các chuyên gia xác định chúng được tạo ra trong phòng thí nghiệm vì kim cương tự nhiên hiếm khi chứa kim loại trong quá trình hình thành.
Ngoài việc nuôi cấy kim cương, quy trình HPHT được sử dụng để tăng cường màu sắc của đá tự nhiên. Phương pháp xử lý này có hiệu quả để tăng cường màu sắc của một số viên kim cương thô hoặc đã đánh bóng, biến chúng thành không màu, vàng, vàng cam, vàng lục, xanh lục, hồng và xanh lam.
So sánh kim cương HPHT và CVD
KIM CƯƠNG LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC (CVD) LÀ GÌ?
Được tạo ra vào những năm 1980, lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một kỹ thuật trồng kim cương gần đây hơn, trong đó đá quý được phát triển từ hỗn hợp khí hydrocacbon, mô phỏng cách kim cương hình thành trong các đám mây khí như thế nào.
Trong quá trình CVD, một tấm mỏng bằng tinh thể kim cương được đặt trong một buồng chân không và được làm nóng đến 800°C. Sau đó, buồng chứa đầy khí giàu carbon, chẳng hạn như mêtan, và bị ion hóa thành plasma bằng cách sử dụng tia laser, vi sóng hoặc các loại khác. Quá trình ion hóa phá vỡ các liên kết phân tử trong khí và carbon tinh khiết bị lắng đọng trên tấm wafer của tinh thể kim cương (thường là tổng hợp HPHT), làm phát triển nguyên tử đá quý theo từng nguyên tử, từng lớp.
Quy trình nuôi cấy kim cương CVD có một số ưu điểm so với quy trình HPHT. Không cần áp suất cao và không cần nhiệt độ trên 1400°C, có nghĩa là quá trình này ít tốn kém hơn nhiều.
Phương pháp CVD có thể tạo ra đá quý không màu và không phân vùng màu. Kim cương CVD không bao giờ chứa tạp chất kim loại, nhưng chúng thường đi kèm với than chì hoặc các tạp chất khoáng khác là kết quả của quá trình nuôi cấy chúng.
HPHT VS CVD KIM CƯƠNG
Kim cương tự nhiên phát triển theo hình bát diện và có 8 hướng sinh trưởng.
Sự khác biệt chính giữa kim cương HPHT và CVD là cách chúng phát triển hoặc hình thái của chúng. Kim cương HPHT phát triển theo hình khối lập phương và có 14 hướng tăng trưởng, trong khi kim cương CVD phát triển theo hình khối và có 1 hướng tăng trưởng. Để so sánh, kim cương tự nhiên phát triển theo hình bát diện và có 8 hướng phát triển. Các mô hình tăng trưởng này cũng là cách chính để phân biệt kim cương khai thác và kim cương tổng hợp.
Về chất lượng của kim cương trồng trong phòng thí nghiệm, HPHT thường được kết hợp với kim cương màu vàng và nâu hơn, trong khi phương pháp CVD là phương pháp đầu tiên tạo ra kim cương không màu. Ngày nay, cả hai kỹ thuật đều có thể tạo ra một viên kim cương không màu và hoàn mỹ, và không có sự khác biệt nào ngoại trừ hình thái.
Điều đáng nói, thông tin về phương pháp trồng kim cương nào tốt hơn lại khá trái chiều. Tuy nhiên, những gì đang diễn ra đằng sau hậu trường là mỗi công ty cố gắng thúc đẩy những gì có lợi nhất cho họ. Một công ty CVD sẽ nói với khách hàng của họ để tránh kim cương HPHT và ngược lại.
