เพชรสังเคราะห์ผลึกเดี่ยวแบบเฟสไอ

ในปี 1994 Thomas R. Anthony และคณะ ของ GE ได้ยื่นขอสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาหมายเลข 5,437,891 (ออกเมื่อปี 1995) ซึ่งระบุว่าอัตราการเติบโตของเหลี่ยมลูกบาศก์ (100) ของเพชรโพลีคริสตัลลีนที่ปลูกโดยการสะสมไอ (CVD) สามารถเพิ่มขึ้นได้ นอกจากนี้ ถ้าเติมอากาศในปริมาณเล็กน้อย (เช่น 1%) (ไนโตรเจน 78%, ออกซิเจน 21%, อาร์กอน 1%) ลงในกระแสก๊าซปฏิกิริยา (เช่น ไฮโดรเจน 98% + มีเทน 1%) อัตราการเจริญเติบโตจะเพิ่มขึ้นอีก

ในปี 1996 Anthony et al. คิดค้นวิธีการลดข้อบกพร่องในฟิล์มเพชรโพลีคริสตัลลีนที่ปลูกโดย CVD โดยการบำบัดภายใต้ความดันสูง (> 3 Kb) และอุณหภูมิสูง (เช่น 1,300°C) (สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 5,672,395 ออกในปี 1997) ในปี พ.ศ. 2547 โรเบิร์ต เอช. ฟรูชัวร์ ได้ยื่นขอสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาหมายเลข 6,811,610 ที่คล้ายคลึงกัน แต่เพชรที่ผ่านการอบด้วยความร้อนนั้นเป็นฟิล์มเพชรผลึกเดี่ยว ในปี 2004 Suresh S. Vagarali และคณะ ได้รับสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาหมายเลข 6,692,714 ซึ่งเป็นการใช้แรงดันสูงและอุณหภูมิสูงในการเปลี่ยนผลึกเดี่ยวของเพชรสีให้เป็นสีอ่อนหรือไม่มีสี

毛河光 และรัสเซลล์ เฮมลีย์ นักวิชาการทั้งคู่ของสถาบัน Academia Sinica ในไต้หวัน (ซึ่งเป็นนักวิชาการของสถาบันวิทยาศาสตร์ของสหรัฐอเมริกาและจีนด้วย) เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ห้องปฏิบัติการธรณีฟิสิกส์ของสถาบันคาร์เนกีแห่งวอชิงตัน (CIW) ในสหรัฐอเมริกา ในปี พ.ศ. 2541 顏志學 ชาวไต้หวันใช้โครงการที่ได้รับทุนจากพวกเขาเพื่อศึกษาการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวเพชร CVD ในระหว่างการสะสมไอ จะมีการใช้ผลึกเพชรธรรมชาติหรือเพชรเทียมเป็นเมล็ดพันธุ์ จากนั้นจึงทำการเจริญเติบโตของผลึกเพชรแบบโฮโมอิพิแทกเซียลบนผลึกเหล่านั้น โดยทั่วไปแล้วคริสตัลเมล็ดพันธุ์จะถูกสะสมไว้ด้วยหน้าลูกบาศก์ (100) เพื่อเร่งอัตราการเติบโต ไม่เพียงแต่จะเพิ่มอุณหภูมิของผลึกเมล็ดพืชอย่างมาก แต่ยังเพิ่มปริมาณมีเทนในระดับปานกลางด้วย เติมไนโตรเจนและออกซิเจนเข้าไปในแก๊ส ด้วยวิธีนี้ เพชรสีเหลืองที่มีไนโตรเจนจึงสามารถเติบโตได้ในอัตรามากกว่า 15 ไมครอน (µm) ต่อชั่วโมง ตามคำอธิบายในตัวอย่างที่ 1 ของสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาหมายเลข 6,858,078 ที่ยื่นขอโดย Hemley et al. ในปี พ.ศ. 2545 CVD ใช้ไมโครเวฟพลาสมาเป็นแหล่งความร้อน โดยมีความดัน 160 ทอร์ และมีองค์ประกอบของก๊าซ 3% N2: 97% CH4: 12% CH4: 88% H2 ปริมาณก๊าซไหลดังนี้ 1.8 sccm N2, 60 sccm CH4 และ 500 sccm H2 ผลึกเมล็ดเพชรที่เติบโตมีขนาด 3.5 × 3.5 × 1.6 mm3 และด้านคว่ำหน้าคือ (100) อุณหภูมิสำหรับการเจริญเติบโตของเพชรคือ 1220℃ ± 10℃ ขนาดหลังจากการเจริญเติบโต 12 ชั่วโมงคือ 4.2 × 4.2 × 2.3 มม.3 และอัตราการเจริญเติบโตคำนวณได้ที่ 58 ไมโครเมตรต่อชั่วโมง

ในปี พ.ศ. 2548 Yan Zhixue ได้ปลูกเพชรขนาด 10 กะรัต ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญของเพชรสังเคราะห์แบบ CVD กล่าวกันว่าต้นทุนในการเพาะเพชรเม็ดนี้อยู่ที่เพียง 5,000 เหรียญสหรัฐเท่านั้น ซึ่งคิดเป็นเพียง 5% ของมูลค่าเพชรธรรมชาติที่มีน้ำหนักเท่ากัน ฟิล์มเพชรที่ปลูกโดย CVD ไม่มีความหนาแน่นภายใน ความแข็งของเพชรที่ปลูกโดย CIW โดยใช้วิธี CVD สามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญหลังจากผ่านการบำบัดด้วยแรงดันสูง (6 GPa) และอุณหภูมิสูง (เกือบ 2,000℃) เป็นเวลา 10 นาที ความแข็งของเพชรหลังผ่านกระบวนการชุบแข็งอาจสูงกว่าเพชรธรรมชาติด้วยซ้ำ อย่างไรก็ตาม สิทธิบัตรของสหรัฐฯ (สิทธิบัตรสหรัฐฯ 6,811,610 ยื่นในปี 2002 ออกในปี 2004) สำหรับการปรับปรุงคุณสมบัติของฟิล์มเพชร CVD (เช่น ความโปร่งใส) โดยการอบด้วยความร้อนแรงดันสูงนั้นเป็นของ Robert H. Frushour Frushour เป็นผู้จัดการแผนกวัสดุพิเศษของบริษัท GE (ซึ่งเป็นบริษัทก่อนหน้าของ GE Superabrasives) ในช่วงทศวรรษปี 1970 ต่อมาเขาได้ก่อตั้งบริษัท Valdiamant ใน Valenite ของ GTE เพื่อแข่งขันกับ GE ในส่วนของลูกค้าของ PCD ต่อมา GE ได้เข้าซื้อกิจการและยุบแผนกสื่อสิ่งพิมพ์ จากนั้น Frushour ก็ได้ก่อตั้ง Phoenix Crystal ขึ้นเพื่อจำหน่ายเทคโนโลยีแรงดันสูง GE Superabrasives ถูกขายให้กับ Littlejohn ในปี 2003 ในเวลานั้น “ผู้รับใช้เก่า” ของ GE ได้ลาออกไปหมดแล้ว เพื่อหลีกเลี่ยงช่องว่างในการถ่ายทอดเทคโนโลยี Diamond Innovations จึงได้จ้าง Frushour อดีต “คนทรยศ” มาเป็นที่ปรึกษา ไม่เพียงเท่านั้น GE Superabrasives ยังได้ฟ้องร้อง Song Jianmin ฐานให้การสนับสนุนทางเทคนิคแก่ Iljin Diamond ในเกาหลีใต้และ Asia Diamond ในจีนอีกด้วย ตั้งแต่ปี 2004 เป็นต้นมา Diamond Innovations เริ่มยอมรับการสนับสนุนทางเทคนิคจาก Song Jianmin เพื่อปรับปรุงกระบวนการสังเคราะห์แรงดันสูง

Yan Zhixue ใช้เพชร ASTeX AX5250 ที่ผลิตโดย Seki ของญี่ปุ่น กำลังเครื่อง 5 Kw และความถี่ไมโครเวฟ 2.45 GHz. เพชรสีเหลืองถูกผลิตด้วยอัตรา 15 ไมครอนหรือ 1/3 กะรัตต่อชั่วโมง หากปลูกเพชรไร้สีและโปร่งใส ความเร็วจะลดลงต่ำกว่า 5 ไมครอน อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต ปิรามิดขนาดเล็กที่มีหน้า (111) หน้าจะสะสมอยู่บนหน้า (100) ซึ่งทำให้ลดอัตราการเจริญเติบโต ดังนั้นการเจริญเติบโตจะต้องถูกหยุดลงบ่อยครั้ง นำเพชรออกมาเจียร แล้วใส่กลับเพื่อให้หนาขึ้นต่อไป

ด้วยกำลังไฟ 5 กิโลวัตต์รอบด้าน พื้นที่การปลูกสามารถครอบคลุมได้ถึง 100 ตารางเซนติเมตร อุณหภูมิในการฝังเพชรผลึกเดี่ยวอยู่ที่ประมาณ 1,200°C ดังนั้นประสิทธิภาพในการเจริญเติบโตจึงสูงถึง 3 ซีซี ต่อ 100 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (100 KwH) ซึ่งสูงกว่าวิธี CVD ดั้งเดิมที่ใช้ฝังฟิล์มเพชรโพลีคริสตัลไลน์ที่อุณหภูมิต่ำกว่า (900°C) ถึง 10 เท่า เมื่อเปรียบเทียบแล้ว ต้นทุนโดยตรงในการฝากเพชรด้วยไอจะอยู่ที่ประมาณ 10 ดอลลาร์ต่อชั่วโมง หรือ 100 ดอลลาร์ต่อกะรัตของเพชร

การสะสมเฟสไอ (CVD) ทำให้เพชรมีเสถียรภาพในบริเวณที่เสถียรของกราไฟต์ ดังนั้นจะต้องใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อแยกโมเลกุลไฮโดรเจนออกจากกันเพื่อปกป้องพันธะเพชร (sp3) แม้กระนั้นก็ตาม เนื่องจากโมเลกุลของก๊าซมีความเบาบางกว่าโมเลกุลของของเหลวเกือบพันเท่า จึงเป็นการยากที่จะเพิ่มความเร็วในการเติบโตของเพชร นอกจากนี้ CVD ยังเป็นเทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบสองมิติ และจะต้องสะสมในพื้นที่ขนาดใหญ่จึงจะมีคุณค่าสำหรับการผลิตเพชรคุณภาพอัญมณีจำนวนมาก ควรยังคงใช้การสะสมเฟสของเหลวที่มีแรงดันสูง การสร้างฟิล์มบางเซมิคอนดักเตอร์ด้วยเพชรแบบ CVD ถือเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการผลิตฟิล์มบางเซมิคอนดักเตอร์ในอนาคต

เมื่อวันที่ 7 กรกฎาคม พ.ศ. 2549 เหมา เหอกวง และ หยาน จื้อเสว่ ได้กล่าวสุนทรพจน์ที่ศูนย์การประชุมนานาชาติไทเป โดยมีหัวข้อว่า “ยุคเพชรยุคใหม่” และ “การเติบโตด้วยความเร็วสูงของเพชรคริสตัลเดี่ยวขนาดใหญ่” ตามลำดับ “เพื่อสร้างอุตสาหกรรมเพชรเทียมของไต้หวัน” เหมา เหอกวงเสนอวิสัยทัศน์ในการปลูกแผ่นเพชรขนาด 4 นิ้ว ในขณะที่หยาน จื้อเสว่เสนอความเป็นไปได้ในการปลูก 0.1 มม. ต่อชั่วโมง ครั้งหนึ่ง หลี่ เซียนเต๋อ จากมหาวิทยาลัยเจียวทง เคยมาเยี่ยมชมห้องปฏิบัติการของเหมา เหอกวง เพื่อสอบถามเกี่ยวกับการถ่ายทอดเทคโนโลยี แต่พวกเขาไม่สามารถตกลงเรื่องราคาได้ ต่อมาในปี 2007 หลี่ เซียนเต๋อ จึงก่อตั้ง “บริษัท Chuangshi Materials Technology” เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง