kim cương 'lắng đọng hơi hoá học' plasma sóng vi ba

những tạp chất hoặc biến dạng mạng (tinh thể) tạo ra màu sắc của kim cương: nguyên tử nitơ bị cô lập sẽ tạo ra màu vàng; cặp nguyên tử nitơ tạo ra màu nâu, xanh lá cây hoặc tím; những biến dạng mạng (tinh thể) tạo ra màu hồng huyền diệu

trong tự nhiên, kim cương được hình thành ở độ sâu 150 - 700 km dưới lòng đất, trong một thời gian dài; kim cương được dềnh lên mặt đất nhờ núi lửa phun trào

từ lâu, cách duy nhất lấy được những viên kim cương lớn là may mắn nhặt ở trên cấu tạo địa chất, tìm kiếm ở bờ sông và hi vọng gặp may

General Electric
năm 1797 phát hiện rằng kim cương chính là cácbon, các nhà khoa học đã thử nung nóng than củi thành kim cương
đầu thập niên 1910 phát hiện rằng cần áp suất cao và nhiệt độ cao để điều chế kim cương

năm 1955 GE tiên phong phương pháp áp suất cao nhiệt độ cao [HPHT high pressure high temperature] ở nhiệt độ 2200 độ C và áp suất 1 triệu rưỡi pound mỗi inch vuông

thập niên 1990 phương pháp HPHT đã sản xuất những viên kim cương chất-lượng-đá-quý nhiều màu sắc, mặc dù chủ yếu là màu vàng cam

bất chấp HPHT vẫn là hiệu quả kinh tế nhất để sản xuất kim cương, tỷ lệ khuyết tật cao và thời gian nấu lâu đã khiến HPHT khó cạnh tranh ngành kim cương tự nhiên

Máy trồng kim cương trong phòng thí nghiệm
'lắng đọng hơi hoá học' là lấy những vật liệu tiền chất ở thể khí và lắng đọng lên trên một chất nền [substrate]
ngành linh kiện bán dẫn có thể sử dụng CVD để lắng đọng những lớp đơn-tinh-thể silic tinh khiết lên trên tấm wafer
chế tạo kim cương CVD, thường bắt đầu với khí methan làm tiền chất cácbon thể khí; khí methan được trộn lẫn với hydro hoặc ôxy để làm ổn định bề mặt của kim cương và ngăn kim cương khỏi biến đổi thành những tạp chất than chì
sau đó, sử dụng năng lượng để phân huỷ khí methan thành những nguyên tử; năng lượng có thể là nhiệt năng, lửa, sóng vi ba...
phân huỷ khí methan, và làm sao để nguyên tử cácbon hoà hợp lại trên tấm nền [substrate] thường là một kim cương hạt mầm [seed] dưới dạng kim cương bùn [mire]

Đầu ra và kinh tế
thập niên 1950 các nhà khoa học bắt đầu thử tăng trưởng tinh thể kim cương với phương pháp CVD; những vấn đề phổ biến là chất lượng sản phẩm và quy mô sản xuất

kim cương CVD, chất lượng cao nhất là hạng-quang-học hay gọi là hạng-điện-tử đủ tinh khiết để tận dụng lợi thế của những đặc điểm điện và nhiệt của kim cương
ngày nay HPHT chế tạo được những mạt kim cương hạng-công-nghiệp với giá thành chưa đến 1 đôla một carat
giữa thập niên 1970 nhà khoa học Boris Vladimirovich Derjaguin (ảnh dưới: ngoài cùng bên trái) ở Liên Xô đã thành công lắng đọng kim cương ở tốc độ hơn 1 micromet 1 giờ, sử dụng nhiều phương pháp, khiến Nhật Bản chú ý

người Nhật lấy những phương pháp này, sau rốt xác định 2 phương pháp CVD, ngày nay được sử dụng trong ngành công nghiệp trồng kim cương trong phòng thí nghiệm, sợi nóng [filament] và plasma sóng vi ba

CVD sợi nóng
tiêm năng lượng vào hỗn hợp khí tiền chất, sử dụng một sợi wolfram nung nóng đến nhiệt độ 2000 độ C; có nhiều sắp đặt và bố trí của những sợi wolfram này, dẫn đến những thiết kế đa dạng
là phương pháp tiên phong, CVD sợi nóng có một số nhược điểm; một là mặc dù cho thấy bước nhảy vọt về tốc độ lắng đọng, mới đầu CVD sợi nóng vẫn quá chậm

thử nghiệm đầu tiên sản xuất ở tốc độ tăng trưởng là 1 micromet; nếu muốn một viên kim cương đá quý cao 5 milimet, tức là 2 carat, sẽ mất 5000 giờ, tương đương 208 ngày
để tăng tốc, các nhà khoa học đưa nitơ vào tiến trình; sản phẩm kim cương màu vàng sẽ không hữu ích cho những ứng dụng điện tử, bằng kim cương khác
hai là những sợi nóng sẽ dần dần bị ảnh hưởng bởi xói mòn cácbon và nhiệt, bắt đầu bị oằn [warp] và bẻ vênh, ảnh hưởng tốc độ lắng đọng; tệ hơn, wolfram có thể nhiễm bẩn kim cương đang tăng trưởng

CVD plasma sóng vi ba
ngày nay, plasma sóng vi ba chiếm một nửa thị phần kim cương được trồng trong phòng thí nghiệm, một lợi thế là tránh được vấn đề nhiễm bẩn vì có sợi nóng bên trong lò phản ứng
bắt đầu, cần một kim cương mầm [seed] nhỏ, nhìn giống những cái đĩa; một buồng máy có thể chứa 18 mầm, những mầm ấy sẽ đi vào bên trong khoang lò phản ứng, trong đó đầy hỗn hợp khí tiền chất [precursor]; sau đó người ta bắn phá [bombard] hỗn hợp ấy bằng sóng vi ba
những mẫu [prototype] mới đầu sử dụng sóng 2.45 gigahertz giống lò vi sóng để trong bếp, chủ yếu vì sẵn có những ống [tube]

sóng vi ba sẽ ion hoá những nguyên tử của hỗn hợp khí, bằng cách kích thích những electron và do đó khiến nguyên tử thêm hoặc bớt electron; plasma là khi một số lượng đáng kể những nguyên tử đã bị ion hoá
nếu điều kiện bề mặt tấm nền (kim cương mầm) được nung nóng và giữ ở nhiệt độ đủ cao, những tiền chất sẽ đậu [settle] lên trên và thế là tăng trưởng kim cương
đợi một ít hôm, sản phẩm kim cương sẽ có màu bạc và hình khoanh đĩa; cạnh bên sẽ có những vụn, đều là bột và mạt kim cương; có thể lấy dao lam cắt đĩa kim cương thành những mảnh nhỏ, thành phẩm là những khối vuông thô; sẵn sàng chuyển cho thợ kim hoàn làm việc cắt và đánh bóng, thành viên đá hoàn thiện

tốc độ tăng trưởng, nhất là trồng kim cương tinh khiết không-lỗi, vẫn gây vấn đề; nhưng đang nhanh hơn, nhờ những thiết kế lò phản ứng đã được cải tiến; có thể trồng kim cương theo lố [batch] song song

Đá quý
ngày nay, nhẫn kim cương 2 carat có giá 5000 đôla ở Costco; Costco nói rằng sản phẩm kim cương của hãng đều 'tự nhiên' tức là được 'khai thác'

năm 2018 uỷ ban Thương mại Liên bang Mỹ [FTC federal trade commission] sửa đổi định nghĩa 'kim cương' trong những hướng dẫn kim hoàn của uỷ ban; trước đó, hướng dẫn có từ 'tự nhiên' trong định nghĩa; nhưng kim cương MPCVD [microwave plasma chemical vepor deposit] và trồng-trong-phòng-thí-nghiệm khác đã đạt được những đặc điểm quang, điện và vật lý sánh ngang kim cương khai thác; cho nên FTC thấy không cần thêm chữ 'tự nhiên' nữa

FTC cho phép sử dụng thuật ngữ 'nuôi trồng' [culture] để miêu tả kim cương trồng-trong-phòng-thí-nghiệm; ngành kim cương khai thác đã phản đối, đề nghị rằng FTC chỉ sử dụng thuật ngữ ấy cho ngọc trai; 99% ngọc trai ngày này là 'nuôi trồng' [culture]
kim cương rẻ, hoàn hảo, được nuôi trồng sẽ sớm áp đảo ngành kim cương khai thác và đánh sụt giá bán kim cương
năm 2022 ngành đá quý thế giới thu được 30 tỷ đôla Mỹ doanh thu, chỉ công ty De Beers đã thu 6 tỷ đôla

De Beers đã sớm tìm cách đối phó với nguy cơ của kim cương nuôi trồng, hãng đã dịch chuyển từ một cacten kim cương thô, sang quản lý một thương hiệu trang sức; De Beers mong muốn khách hàng sẽ sẵn lòng bỏ tiền mua vì tên thương hiệu, chứ không phải đá quý

Tản nhiệt
các trường đại học và nhóm công nghiệp đang đầu tư nguồn lực vào sản xuất kim cương; vì cơ hội tận dụng những đặc điểm điện, quang và nhiệt của kim cương
công dụng thương mại đầu tiên của kim cương là bộ tản nhiệt [spread] vì kim cương 'nuôi trồng' đơn tinh thể có độ dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả những chất rắn ở nhiệt độ phòng, có thể gấp 3 lần vật liệu cũ như đồng hoặc silic carbide

AT&T lần đầu tiên uỷ thác những bộ tản nhiệt dựa-trên-kim-cương-CVD để làm mát những mảng điốp laser điện-năng-cao gửi tín hiệu qua những cáp quang dưới-biển

bộ tản nhiệt kim-cương-CVD giúp thu nhỏ hệ-thống [package] và kéo dài tuổi thọ hoạt động
dự án đã tài trợ việc phát triển những kỹ thuật mới để đánh bóng và cắt kim cương CVD, cũng như kỹ thuật kim-loại-hoá tức là áp [apply] những lớp kim loại lên trên kim cương để gắn [mount] vào thiết bị điện tử
ngành đóng gói tiên tiến linh kiện bán dẫn cũng thảo luận lợi ích tản nhiệt của kim cương CVD, vì những vấn đề nhiệt đang dấy lên ở những chip xếp-chồng-3-chiều

Synopsys trả 35 tỷ đôla mua một phần mềm EDA mô hình hoá những tương tác nhiệt trong những chip xếp-chồng-3-chiều

Kết
công ty Ropac ở Đài Trung cho phép tiếp cận thiết bị MPCVD để quay phim chụp ảnh, cũng như đã cởi mở trả lời phỏng vấn

kim cương CVD mở ra những tiềm năng cho những linh kiện bán dẫn điện-lực, thấu kính quang học chính xác cho laser, vật liệu bộ phát hiện [detector] cho công cụ đo lường plasma hợp hạch [fusion plasma]