Technologie Herstellungsverfahren Produktion Labor Diamanten – Lab Grown Diamonds (HPHT & CVD)

Was ist die Technologie von Lab Grown Diamonds? Mit welchen Verfahren werden Lab Grown Diamonds hergestellt? Welche Prozesse für die Züchtung von Man Made Diamonds gibt es? Können heute tatsächlich echte Diamanten im Labor gezüchtet werden? Was ist ein HPHT Diamant? Was ist HPHT? Was ist High Pressure High Temperature Verfahren? Was ist ein CVD Diamant? Was ist CVD? Was ist Chemical Vapor Deposition? Was sind die Unterschiede von HPHT Diamant und CVD Diamant? Unterscheiden sich HPHT und CVD Diamanten? Was ist besser HPHT Diamant oder CVD Diamant?

Lab Grown Diamonds – Cultured Diamonds – Labor Diamanten – gezüchtete Diamanten (fälschlicherweise: synthetische Diamanten, künstliche Diamanten)

Minen-Diamanten: Der Bergabbau verursacht Löcher, mineralischer Abfall, riesiger Energie- und Wasserverbrauch.
Raubbau an der Natur und Ressourcen. Gefährliche und oft schlecht bezahlte Jobs. Herkunft? Blutdiamanten? Kriegsfinanzierung?

Technischem Fortschritt sei Dank können heute echte Diamanten im Labor gezüchtet werden. Es klingt fast zu gut um wahr zu sein, entspricht aber den Fakten: 100% echte Diamanten in verblüffender Qualität und grossen Grössen können kultiviert werden.

Was sind die Herstellungsverfahren und Hauptvorteile von Lab Grown Diamonds?

Bei beiden Verfahren zur Züchtung von Lab Grown Diamonds wird geschaut, wo und wie gibt es Diamanten in der Natur. Exakt diese Natur-Bedingungen werden zum Züchten von Lab Grown Diamonds nachgeahmt, also imitiert.

Die Vorteile von Lab Grown Diamond sind günstiger Preis, Top-Qualität, umweltfreundlicher und ethischer.

Ist die Reinheit, Clarity von Lab Grown Diamonds besser als diejenige von Minen Diamanten?

Sind alle Lab Grown Diamonds Internally Flawless? Haben Labor Diamanten alle eine perfekte Reinheit?
Nein, Lab Grown Diamonds haben wie Minen Diamanten unterschiedliche Reinreiten. Da beim Growing Prozess die natürlichen Bedingungen imitiert werden, können die gleichen Imperfektionen wie in der Natur entstehen bezüglich Farbe, Reinheit etc. Sie werden ebenfalls mit den gleichen 4Cs Carat, Color, Clarity und Cut klassifiziert wie Minen Diamanten auch.

Ist die Qualität von Lab Grown Diamonds besser als diejenige von Minen Diamanten?

Sind Lab Grown Diamonds bessere Qualität als Minen Diamanten?
High Quality Hersteller sind mit neuster Technologie und Forschung sehr bestrebt gute Qualität zu erzeugen. Diese Lab Grown Diamonds haben tendenziell bessere Qualitäten als Minen Diamanten weil sie Type IIa sind. Bei Low Quality Herstellern steht eine schnelle Züchtung und Gewinnmaximierung im Vordergrund.

Was ist ein Lab Grown Diamond? Was ist ein Labor Diamant?

Ein Lab Grown Diamond (= Labor-Diamant, im Labor gezüchteter Diamant, auch «lab grown» oder «grüner Diamant») ist ein man-made hergestellter Diamant, der in einer Laborumgebung durch eines der beiden derzeit verfügbaren Herstellungsverfahren gezüchtet wurde:

HPHT (High Pressure High Temperature)
CVD (Chemical Vapor Deposition)

Sind Lab Grown Diamonds echte Diamanten? Aus welchem Material bestehen Diamanten? Woraus sind Lab Grown Diamonds? Welche Atomgitterstruktur haben Lab Grown Diamonds?

Alle echten Diamanten bestehen aus reinem kristallisiertem Kohlenstoff (pure Carbon); dies gilt sowohl für Minen-Diamanten wie auch für Lab-Diamanten. Beim Growingprozess wird das natürliche Wachstum im tiefen Erdinneren (HPHT) oder in interstellaren Gaswolken (CVD) nachgeahmt/imitiert.

Obwohl sich der Wachstumsprozess von dem unterscheidet, was in der Natur vorkommt, sind die chemische Zusammensetzung, die physikalischen Eigenschaften und die optischen Eigenschaften bei im Labor gezüchteten Diamanten identisch mit denen von in Minen/Bergbau abgebauten Diamanten.

Laborgezüchtete Diamanten gibt es in allen Größen (2021 bis 15ct, 2023 bis 30 Carat), allen Formen und allen Farben und die Lichtleistung ist identisch mit der von abgebauten Diamanten.

HPHT (High Pressure, High Temperature)

Wie werden HPHT Lab Grown Diamanten gezüchtet? Welche Temperaturen und Druck werden verwendet? Was unterscheidet HPHT von CVD Lab Grown Diamonds?

Entstehung HPHT “Deep Earth Diamonds” Wachstumsprozess

HPHT-Labordiamanten entstehen durch das Platzieren eines kleinen Diamantsaatkristalls in eine spezielle Presse, die extrem hohen Druck und hohe Temperaturen erzeugt. Diese Bedingungen ähneln denen, unter denen natürliche Diamanten tief in der Erde entstehen. Ein mit Kohlenstoff angereichertes Lösungsmittel, meist Graphit, wird hinzugefügt und schmilzt unter den hohen Temperaturen und Druck. Der Kohlenstoff setzt sich auf dem Saatkristall ab und wächst zu einem größeren Diamanten heran. Dieser Prozess ahmt die natürlichen Bedingungen nach, ist jedoch schneller und kostengünstiger.

Bei der HPHT-Synthese wendet eine Presse extrem hohe Drücke und Temperaturen auf eine zentrale Wachstumskammer an, die die notwendigen Bestandteile enthält. Das Ergebnis sind Lab-Diamanten-Kristalle mit Kombinationen aus kubischen und oktaedrischen Flächen. Ähnlich einer Bienenwaben Struktur mit Quadraten.

Mit der traditionellen Diamantwachstumsmethode «Hochdruck-Hochtemperatur-Methode (HPHT)» werden Lab grown Diamonds aus Kohlenstoffmaterial in Apparaten hergestellt, die die Hochdruck-Hochtemperatur-Bedingungen der natürlichen Diamantbildung in der Erde nachahmen. Dieser Diamantwachstumsprozess setzt Kohlenstoff extremen Temperaturen und Drücken aus und bildet die extremen Hitze- und Druckbedingungen tief im Erdinneren, wo sich Minen-Diamanten bilden, nach.

• Diamantsaatgut wird in eine speziell entwickelte Presse gelegt:
  Dies ist eine Kapsel in einem Apparat, der in der Lage ist, sehr hohen Druck zu erzeugen.
• Wachstumskammer wird auf 1’300-1’600 °C mit Drücken über 400 Tonnen pro Quadratzoll erhitzt:
  Innerhalb der Kapsel löst sich ein Kohlenstoff-Ausgangsmaterial wie Grafit in einem geschmolzenen Flussmittel auf, das aus Metallen wie Eisen (Fe), Nickel (Ni) oder Kobalt (Co) besteht, wodurch die für das Diamantwachstum erforderliche Temperatur und der Druck gesenkt werden.
• Das geschmolzene Metall löst die hochreine Kohlenstoffquelle auf
• Kohlenstoffatome scheiden sich an einem kleinen Diamantkeimkristall ab:
  → Lab-Diamant beginnt zu wachsen
  Das Kohlenstoffmaterial/-atome wandert dann durch das Flussmittel zum kühleren Diamantkeimkristall und kristallisiert/wächst auf diesem zu einem Lab grown Diamantkristall.
• Kristallisation erfolgt über einen Zeitraum von mehreren Wochen bis Monate, um einen oder mehrere Kristalle zu züchten
• Dieser gewachsene Rohdiamant wird dann von einem Diamantschleifer geschnitten, geschliffen und poliert

Die Züchtung farbloser HPHT-Lab-Diamanten war einst eine Herausforderung. Stickstoff, der Diamanten gelb färbt, musste von der Wachstumsumgebung ferngehalten werden. Darüber hinaus erforderte die Züchtung hochreiner farbloser Diamanten längere Wachstumszeiten und eine bessere Kontrolle der Wachstumstemperatur- und Druckbedingungen. Jüngste technologische Fortschritte haben es den Labors jedoch ermöglicht, farblose Kristalle herzustellen, die als Diamanten bis zu 70 Carat facettiert werden.

HPHT Lab Grown Diamond Prozess

1. Ausgangsmaterial:

• Graphit: Reines Graphit, eine Form von Kohlenstoff, dient als Rohmaterial für die Diamantensynthese.

2. Das Pressen von Rohmaterialien:

• Saatkristall: Ein kleiner Diamantkristall, der als Saatkristall dient, wird in das System eingeführt. Dieser Saatkristall dient als Keimzentrum für das Wachstum des neuen Diamanten.
• Metallisches Lösungsmittel: Ein Metallkatalysator, oft bestehend aus Eisen, Nickel oder Kobalt, wird ebenfalls hinzugefügt. Dieses Metall hilft dabei, den Graphit in eine Diamantstruktur umzuwandeln.

3. Erzeugung von Hochdruck:

• Presse: Das gesamte Setup (Graphit, Saatkristall, Metallkatalysator) wird in eine Hochdruckpresse eingesetzt. Es gibt verschiedene Arten von Pressen, die verwendet werden können, wie z.B. die Belt-Presse, die Cubic-Presse oder die Split-Sphere (BARS) Presse.
• Druck: Ein enorm hoher Druck von etwa 5 bis 6 GPa (Gigapascal) wird auf das Setup angewendet. Dies entspricht etwa dem 50.000- bis 60.000-fachen des atmosphärischen Drucks.

4. Erzeugung von Hocherhitzung:

• Temperatur: Gleichzeitig wird das Setup auf sehr hohe Temperaturen von etwa 1.300 bis 1.600 Grad Celsius erhitzt. Diese Bedingungen simulieren die natürlichen Bedingungen im Erdmantel, wo natürliche Diamanten über Millionen von Jahren gebildet werden.

5. Diamantwachstum:

• Auflösung und Abscheidung: Unter diesen extremen Bedingungen beginnt das Metallkatalysator-Lösungsmittel, den Graphit aufzulösen. Der gelöste Kohlenstoff diffundiert durch das Metall und setzt sich auf dem Saatkristall ab.
• Kristallwachstum: Atom für Atom wächst der Diamant auf dem Saatkristall, wodurch ein größerer Diamant entsteht. Dieser Prozess kann mehrere Tage bis Wochen dauern, abhängig von der gewünschten Größe des Diamanten.

6. Abkühlung und Druckentlastung:

• Abkühlung: Nach einer bestimmten Wachstumszeit wird der Druck und die Temperatur langsam reduziert, um den neu gebildeten Diamanten zu stabilisieren.
• Druckentlastung: Das gesamte Setup wird vorsichtig auf Raumtemperatur und normalen Druck zurückgeführt.

7. Extraktion und Nachbearbeitung:

• Extraktion: Der neu gewachsene Diamant wird aus der Presse entnommen und vom Metallkatalysator und anderen Rückständen gereinigt.
• Schneiden und Polieren: Der Rohdiamant wird dann geschnitten und poliert, um den endgültigen geschliffenen Diamanten herzustellen.

8. Qualitätsprüfung:

• Inspektion: Der fertige Diamant wird gründlich geprüft, um seine Qualität und Reinheit sicherzustellen. Dies kann durch verschiedene gemmologische Techniken und Geräte erfolgen.

Zusammenfassung:

Der HPHT-Prozess imitiert die natürlichen Bedingungen, unter denen Diamanten im Erdmantel entstehen, indem er reinen Graphit unter extrem hohen Druck und hoher Temperatur in Anwesenheit eines Metallkatalysators in Diamanten umwandelt. Ein Saatkristall dient dabei als Keimzentrum, auf dem der neue Diamant wächst. Nach Abschluss des Wachstums wird der Diamant extrahiert, gereinigt und poliert.

CVD (Chemical Vapor Deposition)

Wie werden CVD Lab Grown Diamanten gezüchtet? Welche Gase werden verwendet? Was unterscheidet CVD von HPHT Lab Grown Diamonds?

Entstehung CVD “Galaxy Diamonds” Wachstumsprozess

CVD-Labordiamanten entstehen durch das Platzieren eines Saatkristalls in eine Vakuumkammer, die mit Methan- und Wasserstoffgas gefüllt wird. Bei hohen Temperaturen (zwischen 700 und 1000 Grad Celsius) und unter Einwirkung von Plasma spalten sich die Gase, und Kohlenstoffatome setzen sich auf dem Saatkristall ab, wodurch ein Diamant Atom für Atom wächst. Dieser Prozess imitiert die natürliche Entstehung von Diamanten, ist jedoch kontrollierter und umweltfreundlicher.
*Methan ist ein Kohlenwasserstoff

Bei der CVD-Synthese spalten Mikrowellen die in den Reaktor eingespeisten Kohlenwasserstoffmoleküle auf. Diese Bruchstücke wandern nach unten zum kälteren Diamantkeim und lagern sich an der wachsenden Diamantoberfläche an. Der Lab-Diamant wächst in dünnen Schichten, und seine endgültige Dicke hängt von der Zeit ab, die für das Wachstum zur Verfügung steht. Das Ergebnis sind flache, tafelförmige Kristalle (ähnlich eines Würfels), deren Außenseite mit schwarzem Grafit beschichtet ist.

Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine neuere Technik, mit der Diamanten aus einem Kohlenwasserstoff-Gasgemisch (z.B. Methan) gezüchtet werden. Beim CVD-Verfahren wird eine dünne Scheibe eines Diamantsamens (oft ein HPHT-Diamant) in eine abgedichtete Vakuum-Kammer gelegt und auf etwa 900 Grad Celsius erhitzt. Eine Energiequelle – wie z.B. ein Mikrowellenstrahl – zerlegt die Gasmoleküle, und die Kohlenstoffatome diffundieren in Richtung der kälteren, flachen Diamantkeimplatten.

• Diamant-Keimkristalle → in Diamant-Wachstumskammer platziert
• Kammer ist mit kohlenstoffhaltigem Gas gefüllt
• Kammer wird auf etwa 900-1’200 °C erhitzt
• Ein Mikrowellenstrahl bewirkt, dass Kohlenstoff aus einer Plasmawolke ausfällt und sich auf einem Impfkristall niederschlägt.
• Die Diamanten werden alle paar Tage entnommen, um die Oberfläche zu polieren, um jeglichen nicht-diamantenhaltigen Kohlenstoff zu entfernen, bevor sie zum Wachsen wieder hineingelegt werden. Jede Charge von Diamanten kann mehrere Stop/Start-Zyklen erfordern.
• Die Kristallisation erfolgt über einen Zeitraum von Wochen, wobei mehrere Kristalle gleichzeitig wachsen.
• Dieser gewachsene Rohdiamant wird dann von einem Diamantschleifer geschnitten, geschliffen und poliert.

CVD Lab Grown Diamond Prozess

1. Vorbereitung des Reaktors:

• Reaktor: Ein Vakuumreaktor, der die kontrollierte Umgebung für die Diamantsynthese bietet.

2. Platzierung des Saatkristalls:

• Saatkristall: Ein kleiner Diamantkristall, der als Keimzentrum für das Wachstum des neuen Diamanten dient, wird in den Reaktor eingeführt.

3. Einleiten von Gasen:

• Kohlenwasserstoffgas: Ein Gasgemisch, meist Methan (CH₄), wird in den Reaktor eingeleitet.
• Wasserstoffgas: Wasserstoff (H₂) wird ebenfalls zugegeben, um das Kohlenwasserstoffgas zu spalten und um die Reinheit des Diamanten zu gewährleisten.

4. Erzeugung des Plasmas:

• Plasma-Erzeugung: Eine hohe Energiequelle, typischerweise Mikrowellen oder ein anderer Plasmaprozess, wird verwendet, um das Gasgemisch in ein Plasma zu überführen. Dies spaltet die Methanmoleküle in Kohlenstoff- und Wasserstoffatome auf.

5. Diamantwachstum:

• Kohlenstoffabscheidung: Die freien Kohlenstoffatome setzen sich auf der Oberfläche des Saatkristalls ab und bilden eine Diamantstruktur. Der Wasserstoff hilft, Graphitbildung zu verhindern und fördert das Diamantwachstum.
• Kristallwachstum: Atom für Atom wächst der Diamant auf dem Saatkristall, was zu einem größeren Diamanten führt. Dieser Prozess kann mehrere Wochen dauern, abhängig von der gewünschten Größe des Diamanten.

6. Abkühlung und Druckentlastung:

• Abkühlung: Nach einer bestimmten Wachstumszeit wird das System langsam abgekühlt.
• Druckentlastung: Der Reaktor wird vorsichtig auf normalen Druck zurückgeführt.

7. Extraktion und Nachbearbeitung:

• Extraktion: Der neu gewachsene Diamant wird aus dem Reaktor entnommen.
• Schneiden und Polieren: Der Rohdiamant wird dann geschnitten und poliert, um den endgültigen geschliffenen Diamanten herzustellen.

8. Qualitätsprüfung:

• Inspektion: Der fertige Diamant wird gründlich geprüft, um seine Qualität und Reinheit sicherzustellen. Dies kann durch verschiedene gemmologische Techniken und Geräte erfolgen.

Zusammenfassung:

Im CVD-Prozess wird ein Kohlenwasserstoffgas wie Methan in einem Vakuumreaktor in Gegenwart eines Saatkristalls in ein Plasma überführt. Die Kohlenstoffatome setzen sich auf dem Saatkristall ab und bilden eine Diamantstruktur. Wasserstoff hilft dabei, das Wachstum zu steuern und Graphitbildung zu verhindern. Der Prozess wird so lange fortgeführt, bis der Diamant die gewünschte Größe erreicht hat.

Wie werden farbige Diamanten Gelbe, Blaue, Pinke, Grüne, Cognac, Schwarze Lab Grown Diamonds gezüchtet?

Die Zugabe von Stickstoff während des Wachstumsprozesses führt zu gelben Kristallen, während die Zugabe von Bor zu blauen Kristallen führt. Andere Farben – wie rosa und rot – können durch Strahlung und Erwärmung erzeugt werden, sind aber seltener.
Mehr Details zu Fancy Color Diamonds finden Sie hier.