超級鑽石www.tool.-tool.com

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一、前言
鑽石是一種很特別的物質，不但稀有、漂亮而價值不斐，更因其許多獨特的性質而可做為工業上使用的材料。但由於天然鑽石稀少，其中擁有可導電特性的更是難尋，加上天然鑽石在形狀大小上的限制，因此無法供應工業的大量需求，人們渴望能擁有更多、更大、更硬的鑽石，超級鑽石便是由此而生。
二、鑽石的特性
鑽石又叫金剛石，是碳元素所合成，形成於地表下200km深處高溫高壓的環境，此處的溫度約在1500 ℃，而壓力約在50000 bar。其沿{111}面解理中等，沿{110}面解理不完全。因結構的差異，其性質與同為碳元素構成的石墨有很大差異。鑽石的硬度很高，常被用做鑽頭、壓力砧頭等需要承受磨損或高壓的地方，其硬度僅次最近幾年才發現的石墨烯(Graphene)。由於結構強硬度極高，使得鑽石擁有相當優異的導熱性，足足是銅的五倍之多！如此良好的特性使得人們希望使用鑽石來解決許多散熱問題，例如製造成鑽石晶片、散熱片，或取代半導體中的矽，同時可延長使用壽命。另外，少部份的鑽石含有硼元素，此類的鑽石呈藍色，通常稱為藍鑽，有半導體的特性。
三、 天然鑽石與超級鑽石之比較

1.結晶習性：合成鑽石常為立方體、八面體以及兩者的聚形。天然鑽石常為八面體、菱形十二面體以及兩者的聚形，還有常見三角薄片雙晶。
2.顏色：合成鑽石常為?褐色，並且經常被輻照改色成藍、橙、粉、褐以及金?色。天然鑽石98%都是無色－淺?系列。
3.表面及?部紋理：合成鑽石可顯示樹枝狀或者交叉狀紋理。天然鑽石表面常見三角凹痕或者三角座，?部常顯示與結構相關的紋理。
4.放大觀察：合成鑽石：籽晶及其幻影區，各種形態的金屬包體。天然鑽石：?有金屬包體。
5.可見光吸收光譜：合成鑽石無415.5nm吸收線，在液氮獲得的低?條件下可以測得658nm吸收峰和500nm以下全吸收。天然鑽石絕大部分都是415.5nm吸收線。
6.紫外螢光：合成鑽石長波下通常是?有螢光的，短波下有?綠色、橙?色螢光，有「馬耳他十字分帶」現象，同時有明顯磷光。天然鑽石在長波下多為藍白色螢光，短波下較弱或者顯示惰性。
7.陰極發光儀：合成鑽石：與紫外螢光分布特徵相似，不同成長區顯示不同螢光分帶。天然鑽石多是不規則，因天然鑽石生長時，環境時刻都會變化，而合成鑽石的生長環境一成不變。
8.紅外光譜：合成鑽石：1130波束的吸收譜帶。天然鑽石：1176、1282波束的吸收譜帶。
9.導電性：合成鑽石有的可能具導電性或者導熱性。天然鑽石除藍鑽是半導體外均不導電，且無磁性。
四、 黑鑽石
黑鑽石來自外太空，其外型不起眼，像木炭或一般黑色石頭。與地函內形成的鑽石特性不同，黑鑽石外表不透明，布滿小洞，裡面有許多空隙，其為多晶結構，由上百萬個晶體連結而成，非一般鑽石之單晶結構。黑鑽石在低壓下形成，因多晶結構使其外型較巨大，且不像一般鑽石有一較弱之解理面，因此也較堅硬，難以切割。
礦物或其他晶體對抗外力擊破的能力稱為韌度。而硬度是礦物晶體對抗外力磨損的能力，兩者略有不同。一個硬度很大的晶體受外力衝擊可能會沿解理面裂開，那麼它的韌度可能不算高。但如果一個硬度不很大的複晶體，由於複晶體中每個單晶的排列方位不同，可能使這個複晶韌度變得很大。例如鑽石硬度雖大，其單晶體仍可能受外力敲擊而沿解理面裂開。但是由許多單晶鑽石以完全凌亂方式組合而成的複晶鑽石，其韌度就要比單晶鑽石高多了。所以黑鑽石廣泛使用在鑽井工程上，鑽頭上的鑽石在鑽磨受衝擊時較不會碎裂，也就較耐用。黑鑽石的這個優點為超級鑽石的誕生開了一條路，帶來了全新的想法。
五、 製造超級鑽石
人造鑽石的成功應歸功於高壓技術設備的研究，其中布里吉曼（P.W.Bridgman）著有功績。他曾於1946年獲諾貝爾獎。他發明了一種高壓襯墊、一種油壓封口和布里吉曼砧塊，可以達到400000 bar的高壓。他所用的壓機仍是傳統式油壓機，後人採用他的發明再改良，使操作溫度提高，人造鑽石因而順利誕生。
1941年奇異公司、Carborundum公司、挪頓（Norton）公司與布里吉曼訂立合約研究鑽石的合成，但因二次大戰而作罷。
1951 年奇異公司在斯克奈塔第的研究實驗室，成立鑽石研究小組，改良布里吉曼砧塊，並由赫爾創造了圈環裝置，能同時達到200000 bar和5000 ℃，可以穩定保持數小時。圈環和活塞都以鈷黏合的碳化鎢材料做成。外層以數層特殊鋼圈緊縮配合套上，作為支持強度之用，襯墊材料為葉蠟石。
試樣石墨放在一個石墨管中，置於圈環中間，有葉蠟石作絕緣隔開，而且試樣和上下活塞接觸可以通電加熱。試驗工作經歷了數百次失敗，終於在1954年12月 16日成功製出人造鑽石。所用壓機為400噸，最初試驗時在試樣中加入硫化鐵，此後發現只要加入鐵便可。人造鑽石的方法申請到多項專利，所用觸媒除鐵外，尚有鎳、鉭和其他元素和合金。以後又發現即使不用溶劑或觸媒，只要條件正確，也能長出鑽石晶體。
赫爾於1972年獲美國化學學會金質獎章和許多其他獎勵。於1948年在猶他大學獲博士學位。1955年人造鑽石製造成功後不久，他離開奇異公司，轉任猶他州布里漢楊大學的化學教授，並主持全校研究工作。
赫爾遭遇到一個困難，因專利權關係他不能再使用他所發明的圈環裝置做試驗。但是他有發明天才，不到二年便完成了一種新的高壓裝置，叫四面體壓機。此壓機與以前的圈環專利並不衝突，也能達到圈環所有的溫度和壓力。四面體壓機具有四個砧塊，也是用鈷黏合的碳化鎢做成，壓成的葉蠟石襯墊呈一四面體，其中置有裝試樣的石墨管。石墨管二端有金屬片接觸砧塊供通電加熱之用。赫爾所設計的圈環和四面體壓機至今仍是高壓研究和製造的主要工具。
早在1958年，赫爾即計劃做燒結的鑽石塊體，這種材料很像天然出產的黑鑽石。1966年他設立Megadiai mond公司生產人造黑鑽石供商業工具使用。
大多數人造鑽石產品是鑽石砂粒，在工業上用於切割、研磨、拋光等作業。奇異公司自1958年起即出售人造鑽石砂粒。
第一顆人造鑽石：
美國通用電器公司的英文名稱是 General Electric Company，一般簡稱G.E.，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1954 年聖誕節前製造出第一顆人造鑽石。他們使用的原料包含硫化鐵、金屬鉭（Ta）及石墨。在高溫高壓狀態下（攝氏1600度及70000 bar），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）。
其實第一顆人造鑽石在西元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鑽石。
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2670度及80000~90000 bar。
既然已成功製造出鑽石，為什麼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？因此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年初舉行發表會，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。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1000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60000 ~70000 bar高出許多。炸藥引爆的壓力雖大，但是反應時間僅達百萬分之一秒，因此所合成的鑽石晶粒十分微細，從50微米到小於一微米都有，所以又稱為鑽石粉，主要用於研磨工業。
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。但這種鑽石合成法當時由於技術尚未成熟，且高溫高壓觸媒法已進入開始量產，因此並未受到重視。直到1980年後，日本、歐洲、臺灣以及美國相繼投入研發，2000年時已有部分技術應用於工業界。
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。其原理是把含碳氣體（如甲烷）及氫氣通入低壓的反應室，在反應室內CH4透過高溫（約攝氏2000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。太空中所發現的奈米鑽石形成機制，有不少人把它歸類於化學氣相沉積的生長機制。
一、 超級鑽石的應用
鑽石有一些特性就如同它的外表那般閃耀奪目。它既不怕化學藥劑的腐蝕，也可抗壓縮與抗輻射。鑽石的傳熱速率比任何其他物質都要快，電阻又出奇的高，同時可以穿透可見光、Ｘ光、紫外光及大部分的紅外光。就以上特性而言，鑽石都是出類拔萃，遠遠超過其他所有物質。
由於生產人造鑽石新科技的發展，人們對於鑽石的探求漸由礦坑移向實驗室。鑽石材料應用潛力的多樣性以及可預期的巨額利潤，已經令國際上生產高品質人工鑽石業者摩拳擦掌起來。鑽石晶體與鑽石薄膜製造科技的突破，在1990年變得熱絡起來。同時，使用高純度的起始原料，得以合成單一同位素組成的人工鑽石（純碳 12的鑽石），這種鑽石的優異特性甚至超越了天然鑽石。其中最特別的是，這種鑽石薄膜所具有的卓越超凡的傳熱速率。雖然仍在改進中的化學氣相沈積法製造人工鑽石薄膜的費用，仍然十分高昂－每克拉約需花費2700元台幣，但此種技術如進一步改良，將使費用大幅度降低。
有一些鑽石晶體及鑽石薄膜蒸鍍的產品已可在市面上買到，比如電子微探儀的Ｘ射線光窗、高硬度耐磨耗工業用的磨具、刀具等工具，以及擴大器中共鳴箱的振動板等，但這只是將來預期鑽石材料應用中的極小部分而已。其實就那些高溫高壓、強烈輻射線、高鹽分及其他惡劣環境（如海洋、太空、引擎內部及核子反應爐等）來說，人既無法接近或暴露其中，一般材料也容易被腐蝕破壞，此刻在這種環境中，即使採用目前高成本製作的鑽石，亦是值得的。
不管是在特殊的或一般的使用狀態，以鑽石基板所做的半導體，都能將電子電路使用時所產生的熱量，有效且迅速發散出去，而免除另外加裝一套冷卻系統的累贅。鑽石不僅有很高的電阻係數且又有很高的導熱係數，因此在鑽石薄膜科技中，最卓越的成就可能是應用於超高速的「鑽石積體電路」。鑽石二極體已經製造出來，如果在鑽石中摻雜其他元素的技術發展出來，那麼半導體工業中的矽晶片，有一天終會被鑽石半導體取代。矽晶片可以承受300 ℃的溫度，而鑽石的半導體晶片則估計可以耐高溫到5000 ℃。
鑽石半導體必須使用摻雜其他元素的單晶鑽石薄膜；其他方面的應用只需使用複晶鑽石薄膜即已足夠。比如說抗磨耗工具外表就是被覆一層複晶鑽石薄膜，以增加使用效率與使用年限。工業界正面臨一種新挑戰，那就是對這些不需更換而永遠銳利的刀具、鋸片，索價多高才算合理。
鑽石薄膜可以被覆在窗玻璃及鏡片上，使它們既不怕刮損磨傷，也不會反光，更可使光線容易穿透。因為鑽石膜的抗磨耗特性，它也可能用來製作高效率、低摩擦、永遠不需潤滑的機械軸承或義肢、假牙等。一個超大型計畫即將出現，那就是應用鑽石薄膜製作超導超級碰撞器（SSC）所需的高速偵測器；這計畫預定將需使用 100萬克拉以上的鑽石薄膜。
除了製作鑽石薄膜及表面被覆外，科學家也在合成鑽石晶體材料。他們已做出柴油引擎用的鑽石噴嘴，另外也做出提供金屬成型用的鑽石薄板、鑽石穹及鑽石管等。將製造這些特殊型式鑽石所用的模板腐蝕後，在這類型式的鑽石中，便能呈現出鑽石的一切優異特點，而為人類所利用。
二、 結語
鑽石有相當多的優點，如果能廣泛應用在生活中將可帶來許多便利，目前製造超級鑽石的技術已相當成熟，唯獨整個生產過程中儀器的成本極高，使得超級鑽石的價錢仍不能壓到可以普及的範圍。如果能將儀器成本降低，那麼人們的嶄新構想即將實現－一個充斥著超級鑽石的全新世界就在眼前。
報告人：王大鈞、林建志、林孟瑋、傅建綸、袁興磊

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