Technologie Lab-Diamonds

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Was ist ein Lab-Diamant (Labor Diamant)?

Ein «Lab-Diamant» (= 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)

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 (derzeit bis über 10 Karat), allen Formen und allen Farben und die Lichtleistung ist identisch mit der von abgebauten Diamanten.

HPHT (High Pressure, High Temperature)

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HPHT-Diamant, Foto mit Erlaubnis von IGI “Courtesy of International Gemological Institute”
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Illustration HPHT Press Maschine

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.

HPHT

✓ Analoge Bedingungen tiefes Erdinnere
✓ Ca. 1’500° Celsius (extrem hohe Temperatur)
✓ 400 Tonnen pro Quadratzoll (extrem hoher Druck)

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 von 10 Karat und mehr facettiert werden.

Herstellung Fancy Color Diamanten

Zugabe Stickstoff → Yellow Diamanten
Zugabe Bor → Blue Diamanten
Strahlung & Erwärmung → Pink & Red Diamanten (seltener)

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.

CVD (Chemical Vapor Deposition)

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CVD-Diamant, Foto mit Erlaubnis von IGI “Courtesy of International Gemological Institute”
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Illustration CVD Synthese

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.

CVD

✓ Analoge Bedingungen interstellarer Gaswolken (how cool is that?)
✓ Gas (Methane)
✓ Vakuum-Kammer
✓ Ca. 1’000° Celsius (hohe Temperatur, tiefer als HPHT)
✓ Mikrowellenstrahl

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.