สารบัญเนื้อหา
ขั้นตอน/วิธีการปลูกเพชร CVD
1. กระบวนการปลูก CVD (อย่างย่อ)
การเติบโตของเพชร CVD ผลึกเดี่ยว(ประเภทสำหรับทำเครื่องประดับ)เริ่มต้นด้วยสารตั้งต้นที่มีลักษณะแบนราบ หรือที่เรียกว่า “SEED” เมล็ดซึ่งโดยทั่วไปคือเพชรแลปเช่นกัน แต่มีสีเหลือง ตระกูล Ib ที่ถูกปลูกด้วย HPHT เพชรจะถูกวางไว้ในถังปฏิกรณ์ CVD ที่ถูกลดแรงดัน จากนั้น ก๊าซที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนเป็นหลัก (95% ถึง 99%) และก๊าซมีเทน (1% ถึง 5%) จะถูกฉีดเข้าไปในห้องที่อุณหภูมิหนึ่งในสิบของบรรยากาศ และ ทำให้ร้อนด้วยลำแสงไมโครเวฟที่อุณหภูมิประมาณ 1,000°C พลาสมาจะแยกโมเลกุลของก๊าซและสร้างส่วนผสมของอะตอมและไอออนแต่ละตัว อะตอมจะถูกดึงดูดไปยังส่วนที่เย็นกว่าของห้องซึ่งมีการควบคุมอุณหภูมิของเมล็ดอย่างระมัดระวัง เมื่อถึงอุณภูมิประมาณ 800°C. พวกมันจะตกตะกอนจากก๊าซลงบนพื้นผิว ก่อตัวเป็นชั้นบนเพชรที่กำลังปลูกขึ้นอย่างช้าๆ กระบวนการนี้คล้ายกับวิธีที่โมเลกุลของน้ำควบแน่นจากอากาศเพื่อสร้างน้ำค้างแข็งบนหน้าต่าง
2. กระบวนการปลูก CVD (อย่างละเอียด)
เป็นเวลานานแล้วที่แนวคิดในการทำให้เพชรเติบโตที่ความดันและอุณหภูมิต่ำนั้นไม่ถือเป็นความเป็นไปได้ เนื่องจากความดันต่ำกว่า 100 Torr และ อุณหภูมิต่ำกว่า 1,000°C นั้นเหมาะสมทางอุณหพลศาสตร์สำหรับการก่อตัวของกราไฟต์ ไม่ใช่สำหรับเพชร ความพยายามในการปลูกเพชรในช่วงแรกสุดนั้นใช้เพียงมีเทน CH หรือ CO ส่งผลให้อัตราการเติบโตต่ำมากที่ 0.01 นาโนเมตร/ชม.
ความรู้เกี่ยวกับอะตอมไฮโดรเจนได้เป็นตัวพลิกรูปแบบการปลูกCVD โดยในปี พ.ศ. 2524 ความพยายามที่น่าทึ่งของ B.V. Derjaguin และทีมงาน (Academy of Sciences of the USSR) ใช้อะตอมไฮโดรเจนในการทับถมแบบ homoepitaxial เพื่อให้ได้อัตราการเติบโตจำนวนมากที่มีคุณภาพ 1um/hr ที่อุณหภูมิ 1,000°C อะตอมไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบสำคัญในกระบวนการนี้ ซึ่งกัดกร่อนเฟสที่เป็นกราไฟต์ ส่งผลให้ Sp³ บริสุทธิ์หรือเกิดการก่อตัวของเพชรบนพื้นผิวได้ ดังนั้น ไฮโดรเจนยังคงเป็นก๊าซหลักในกระบวนการ CVD > 90% ส่วนที่เหลือเป็น ไนโตรเจร ที่ใช้ช่วยเพิ่มอัตราการเติบโต และสุดท้าย ออกซิเจน ช่วยควบคุมสิ่งเจือปน
บทบาทของก๊าซ
|
แก๊ส
|
บทบาท |
อ้างอิง
|
|
ไฮโดรเจน |
การกัดกร่อนเฟสที่ไม่ใช่เพชร และ ช่วยในการเติบโตของเพชรคุณภาพสูง |
M.Frenklach |
|
มีเทน |
แหล่งคาร์บอนตั้งต้นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับเพชร |
C.E.Johnson |
|
ไนโตรเจน |
เพิ่มคุณภาพของผลึก และ เพิ่มอัตราการเติบโตอย่างมาก |
Frauenheim |
|
ออกซิเจน |
ขจัดสิ่งเจือปน ป้องกันการเกิดเขม่า |
Weiner |
จากวิธีการทั้งหมดนี้ ไมโครเวฟพลาสมาซีวีดี (MPCVD) ยังคงเป็นวิธีที่ปราศจากเชื้อและมีประสิทธิภาพสูงสุดในการผลิตเพชรที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ โดยไม่มี electrode หรือ filament หรือ การปนเปื้อนอื่นๆ MPCVD Chamber ได้นำเสนอส่วนผสมของก๊าซสุญญากาศเกรดสูงพิเศษ ซึ่งเป็นครั้งแรกที่นักวิจัยก้าวกระโดดไประดับควอนตัมเพื่อควบคุมคุณสมบัติช่องว่างของเพชร การใช้ความถี่ที่สูงขึ้น 2.45 GHz เมื่อเทียบกับ 13.5 MHz ส่งผลให้สามารถสร้างอะตอมไฮโดรเจนได้มากขึ้นเพื่อควบคุมก๊าซเจือปนที่ระดับ ppb และอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ระดับควอนตัม
เมล็ด(seed) นั้นใช้สำหรับการเจริญเติบโตของเพชร ซึ่งการคัดเลือก seed และการพัฒนาภายในโรงงานถือเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อคุณภาพการเติบโตขั้นสุดท้ายและส่งผลต่อต้นทุนในการเติบโต แม้ว่าจะสามารถใช้สารตั้งต้นของ seed ได้หลายประเภทในการเจริญเติบโตของเพชรเพื่อปลูก HPHT และ CVD ที่นิยมมากที่สุดสำหรับการดำเนินการค้าคือเมล็ด CVD Type IIa แบบผลึกเดี่ยวที่แม้ว่าจะไม่เร็วที่สุด แต่ก็ง่ายกว่าที่ผลึกจะเติบโต
หลังจากปลูกผลึกเพชร CVD จนได้เพชรดิบมาแล้ว กระบวนการแรกคือ การกำจัดชั้นที่ทับถมสีดำ(Polycrystalline) ที่เป็นส่วนเกินออกจากเพชร วิธีที่นิยมใช้จะเป็นการตัดออกด้วยเครื่องเลเซอร์ เพื่อนำไปเจียระไนในขั้นต่อไป
และเนื่องจากกระบวนการผลิตเพชรคุณภาพดี ในที่นี้หมายถึงเพชรที่ขาวใสไร้สี ด้วยกระบวนการ CVD ในปัจจุบันเป็นเรื่องที่ซับซ้อนและทำได้ค่อนข้างยาก ผู้ผลิตส่วนใหญ่จึงใช้วิธีนำเพชรที่ปลูกได้มาผ่านกระบวนการเพิ่มคุณภาพสี ด้วยกระบวนการ HPHT อีกรอบหนึ่ง ซึ่งสามารถทำให้เพชร CVD สีน้ำตาล สามารถเปลี่ยนเป็นขาวใสไร้สีได้
การออกแบบช่วงแรกโดยสถาบันวิจัยวัสดุอนินทรีย์แห่งชาติ (NIRIM) ใช้ Hot Filament, RF (Mater 1985), DC Arc Plasma Jet (Kurihara K 1988), Laser-assisted CVD (Kitahama K 1986), Combustion Flame-assisted CVD ( Hirose Y 1989) และ MWCVD (Kamo M 1983) ในการปลูกเพชรบนพื้นผิวต่างๆ ประเด็นที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของเอกสาร NIRIM คือการใช้ Raman Spectroscopy เพื่อวิเคราะห์คุณภาพฟิล์มเพชรแทนการใช้รังสีเอกซ์ Raman spectra มีประโยชน์ในการแยกความแตกต่างของคาร์บอนที่ไม่ใช่เพชร และได้กลายเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่นั้นมา
ต้นทุนในการผลิตเพชร CVD นั้นสูงมากเนื่องจากต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการแยกอะตอมของไฮโดรเจน การใช้พลังสูงนั้นยังจำเป็นจะต้องตั้งโรงงานใกล้กับจุดจ่ายไฟที่มีกำลังสูงและราคาถูกกว่า เช่น สถานีไฟฟ้าพลังงานน้ำ
3. เรื่องน่ารู้ผู้ผลิตเพชร CVD ทั่วโลก ปี 2019
- มีผู้ผลิตรายใหญ่ของโลกราวๆ 25 องค์กร
- มีการผลิตก้อนดิบ 2.3-2.5 ล้านกะรัต ในปี 2019
- ก้อนดิบที่ผลิตได้ส่วนใหญ่หนักประมาณ 4-12 กะรัต
- สามารถผลิตได้ตั้งแต่ น้ำ D – น้ำตาล และ ได้น้ำ F-I มากที่สุด มีส่วนน้อยเท่านั้นที่ได้สี น้ำเงิน ชมพู
- มีเครื่องผลิต CVD ประมาณ 1200-1400 เครื่องในโลก
- ผลผลิต 98% นำมาทำเครื่องประดับ และ 2%นำไปทำวงจรอิเล็กทรอนิก
- ผลคาดการในปี 2025 จะผลิตได้มากถึง 3.5 – 4 ล้านกะรัต
4. ประโยชน์อื่นๆของเพชรจากแล็บ?
ด้วยองค์ประกอบและโครงสร้างผลึกของอะตอมที่แข็งแรง ทำให้เพชรมีมูลค่าสูงในด้านความงามและความทนทานในฐานะอัญมณี เช่นเดียวกับอุตสาหกรรมอื่น เพชรจากแลปเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดประเภทหนึ่งและเหมาะสำหรับเครื่องมือตัด และเป็นสารเคลือบเพื่อป้องกันวัสดุอื่นๆ มีค่าการนำความร้อนสูงสุดในบรรดาสารธรรมชาติ แต่แทบจะไม่ขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน ซึ่งทำให้มีประโยชน์ในฐานะตัวระบายความร้อนและการใช้งานด้านความร้อนอื่นๆ เพชรยังเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม แต่พวกมันยังสามารถนำไฟฟ้าได้หากเจือด้วยโบรอน ซึ่งจะทำให้มีความสำคัญต่ออุปกรณ์คอมพิวเตอร์ นอกจากนี้ เพชรยังโปร่งใสต่อรังสียูวีและแสงอินฟราเรด และทนทานต่อกรด
การใช้งานเพชรจากแลปในอุตสาหกรรมที่หลากหลายส่งผลกระทบต่อชีวิตประจำวันของเรา ามารถเป็นได้ทั้งเครื่องมือตัดชั้นดี และ เครื่องมือเจาะชั้นเยี่ยม ล้วนใช้วัตถุดิบเป็นเพชร เพชรจากแลปทำให้การซ่อมแซมถนนเร็วขึ้นและการขุดเจาะหาน้ำมันง่ายขึ้น เพชรจากแลปช่วยให้การทำฟันเจ็บปวดน้อยลง แว่นตาใหม่พร้อมใช้งานได้ภายในหนึ่งชั่วโมง และ ได้ใบมีดผ่าตัดที่ทนทาน เกือบทุกอุตสาหกรรม ตั้งแต่เหมืองแร่ ยานยนต์ ไปจนถึงอวกาศ กำลังดึงศักยภาพของเพชรจากแลปมาใช้อย่างแพร่หลาย
ข้อเสียที่เห็นได้ชัดของเพชรธรรมชาติ คือ ความหายากและความสะอาดที่ไม่คงที่ ทำให้เพชรจากแลปสำหรับอุตสาหกรรมกลายเป็นวัสดุทางเลือกสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ จากการสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐอเมริกาในปี 2546 พบว่ามากกว่า 90% ของตลาดเพชรอุตสาหกรรมใช้เพชรจากแลป แต่ละปีมีการผลิตเพชรจากแลปมากกว่า 25 ตันทั่วโลกโดยผู้ผลิต เช่น Element Six Diamond Innovations ของ De Beers (เดิมเป็นส่วนหนึ่งของ General Electric), Iljin และ U.S. Synthetics (สามารถอ่านประวัติความเป็นมาของเพชร CVD ได้ที่ลิ้งนี้)
เลือกชมเพชร CVD (Lab Grown Diamond) และ เครื่องประดับของเราได้ที่นี่
ผู้เขียนบทความ
