Kim cương tổng hợp tinh khiết hơn, đẹp hơn và rẻ hơn kim cương tự nhiên
(worksinprogress.co)- Kim cương là vật chất có cấu trúc mạng 3 chiều từ các nguyên tử carbon, và công nghệ chế tạo trong phòng thí nghiệm đã phát triển theo hướng sản xuất nhanh hơn, rẻ hơn, vượt qua các tạp chất, chi phí khai thác và giới hạn chất lượng của kim cương tự nhiên
- Sau khi General Electric tổng hợp bằng áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT) vào thập niên 1950, các kỹ thuật như dung môi kim loại, chất xúc tác, getter và kiểm soát gradient nhiệt độ được cải tiến, giúp sản xuất tinh thể đơn chất lượng đá quý chứ không chỉ phục vụ công nghiệp
- Lắng đọng hơi hóa học (CVD) cho carbon phát triển trên hạt mầm kim cương bằng hydro và methane trong buồng phản ứng áp suất thấp, không cần áp suất cực lớn nên có thể quan sát và kiểm soát quy trình sản xuất dễ hơn
- Trên thị trường trang sức, kim cương tổng hợp round brilliant 1 carat, gần như không màu, cấp VS đã giảm từ 5.440 USD năm 2016 xuống 1.325 USD năm 2024, và trong khảo sát các cặp đôi kết hôn năm 2023, kim cương tổng hợp chiếm 46% nhẫn đính hôn
- Trong công nghiệp, kim cương tổng hợp được dùng cho cắt gọt, khoan, quang học, tản nhiệt và là vật liệu ứng viên cho chất bán dẫn, nhưng với ứng dụng bán dẫn vẫn còn các vấn đề về chi phí, kích thước wafer và pha tạp loại n
Tính chất của kim cương và mục tiêu chế tạo trong phòng thí nghiệm
- Đúng như tên gọi bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp ἀδάμας, kim cương là vật chất trong đó các nguyên tử carbon tạo thành mạng tinh thể lập phương hoặc lục phương
- Nhờ liên kết mạnh và sự sắp xếp nguyên tử dày đặc, đây là vật liệu tự nhiên cứng nhất và khó bị nén nhất
- Kim cương vừa có độ dẫn nhiệt cao vừa có điện trở cao, nhưng nếu thêm một lượng nhỏ nitơ, phosphor hoặc bo thì có thể biến nó thành chất bán dẫn
- Kim cương tinh khiết là không màu và có độ tán sắc ánh sáng lớn, còn khi chứa một số tạp chất nhất định thì có thể mang màu dùng cho trang sức
- Trong tự nhiên, quá trình hình thành kim cương mất hàng tỷ năm, và phần lớn kim cương tự nhiên có quá nhiều tạp chất để dùng cho trang sức hay công nghiệp công nghệ cao
- Chế tạo trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra kim cương nhanh hơn, tinh khiết hơn và rẻ hơn, từ đó mở ra những ứng dụng trước đây rất khó thực hiện
Khám phá kim cương là carbon
- Antoine-Laurent de Lavoisier vào năm 1773 đã tiến hành thí nghiệm đốt kim cương bằng cách hội tụ ánh sáng mặt trời bằng một thấu kính lồi lớn tại vườn Louvre
- Một số viên kim cương bốc hơi hoàn toàn, một số khác chuyển đen và mất khối lượng
- Lavoisier cho rằng cả kim cương và than đều là chất có thể cháy, nhưng chưa thể kết luận chúng là cùng một chất
- Smithson Tennant năm 1796 đã nung kim cương trong một ống vàng kín có chứa kali nitrat để tạo ra carbon dioxide rồi đo lượng khí tạo thành
- Dựa trên việc lượng carbon dioxide tạo ra gần như bằng khi đốt cùng khối lượng than củi, ông kết luận rằng kim cương chỉ gồm carbon
- Kết quả này bị hoài nghi trong khoảng 20 năm và chỉ được công nhận sau khi các nhà khoa học khác tái hiện được thí nghiệm
- Các nhà nghiên cứu thế kỷ 19 đã cố biến than củi thành kim cương bằng bay hơi, nổ và nhiệt cực mạnh, nhưng đều không thành công
Thất bại của Henri Moissan và định hướng ông để lại
- Henri Moissan đã thử tổng hợp kim cương dựa trên lò hồ quang điện, nhiều dạng carbon và các ghi chép địa chất
- Khi thấy kim cương Nam Phi nằm trong đá đi lên từ các tầng địa chất sâu, ông kết luận rằng áp suất là điều cần thiết trong quá trình hình thành
- Trong thiên thạch Canyon Diablo, người ta tìm thấy những viên kim cương nhỏ bên trong khối sắt, và Moissan cho rằng sắt nóng chảy hòa tan carbon khi bị làm nguội đột ngột rồi co lại có thể tạo ra kim cương
- Moissan đã thực hiện thí nghiệm nung sắt và carbon cháy ở 3.000°C rồi làm nguội đột ngột bằng nước, bột sắt và chì, và tin rằng mình đã tạo ra kim cương
- Về sau các nhà hóa học khác không thể tái hiện kết quả, và cũng có nghi vấn rằng một trong các trợ lý đã cho các mảnh kim cương tự nhiên vào mẫu
- Dù thất bại, Moissan đã xác định đúng hướng đi rằng áp suất cao, nhiệt độ cao và dung môi xúc tác kim loại là yếu tố quan trọng trong tổng hợp kim cương
General Electric và tổng hợp HPHT
- Năm 1950, General Electric Research Laboratory tại Schenectady, New York đã thành lập Project Superpressure để bắt đầu tổng hợp kim cương trong phòng thí nghiệm
- GE lo ngại chi phí nhập khẩu kim cương dùng để kéo dây tóc tungsten cho bóng đèn
- Công ty đưa vào sử dụng máy ép thủy lực giá 125.000 USD, cao hai tầng và tạo được áp lực 1.000 tấn
- Howard Tracy Hall vào ngày 16 tháng 12 năm 1954 đã thực hiện thí nghiệm với ống graphite, sulfide sắt, đĩa tantalum và hạt mầm kim cương
- Belt press do ông thiết kế có cấu trúc trong đó các đe trên và dưới nén ô phản ứng, còn hai bên được đỡ bởi các dải thép ứng suất trước
- Thí nghiệm diễn ra trong 38 phút ở điều kiện khoảng 10 GPa và 1.600°C
- Khi mở ô phản ứng, Hall thấy các mặt nhỏ của tinh thể bát diện lấp lánh và kết luận rằng kim cương nhân tạo đã hình thành
- Sau đó GE tái hiện kết quả 20 lần trong vòng 2 tuần, rồi ngày 15 tháng 2 năm 1955 công bố với thế giới việc tổng hợp kim cương trong phòng thí nghiệm
- Kim cương tạo ra bằng quy trình của Hall chỉ có đường kính ở mức vài phần nghìn milimét nên chưa dùng làm đá quý, nhưng lại rất hữu ích cho các ứng dụng công nghiệp như cắt, mài, kéo dây và tạo hình linh kiện chính xác
- Kim cương công nghiệp giai đoạn đầu của GE đắt hơn kim cương tự nhiên, nhưng nhờ quản lý chính xác quá trình tăng trưởng để tùy chỉnh hình dạng và độ đều theo yêu cầu, chúng nhanh chóng chứng minh tính ưu việt
Lệnh giữ bí mật và sự phát triển của công nghệ máy ép
- Bộ Thương mại Mỹ đã hạn chế việc công bố chi tiết về belt press của Hall và các nghiên cứu hóa học áp suất cao tiếp theo nhằm duy trì ưu thế công nghệ trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh
- Trong Thế chiến II, Mỹ phụ thuộc vào cartel De Beers để cung cấp kim cương công nghiệp, và một bản ghi nhớ năm 1944 chỉ ra rằng Mỹ đang phải trả giá độc quyền cho các vật liệu thiết yếu phục vụ sản xuất thời chiến
- Để cải tiến belt press chỉ tạo áp lực theo một trục, Hall năm 1957 đã chế tạo tetrahedral press tạo áp lực từ bốn hướng, nhưng thiết kế này cũng bị áp lệnh giữ bí mật
- Về sau, sau phản đối từ các nhà khoa học và cơ quan chính phủ khác, Bộ Quốc phòng đã chỉ thị Bộ Thương mại gỡ bỏ lệnh giữ bí mật đối với belt press và tetrahedral press
- Một phương pháp thực tế hơn là cubic press, trong đó sáu đe thủy lực ép vào sáu mặt của ô phản ứng hình lập phương
- Hình lập phương có thể tích lớn hơn so với diện tích bề mặt so với hình tứ diện, nên có thể đạt áp suất cần thiết với lực nhỏ hơn
- Các nhà khoa học Liên Xô dùng thiết bị split-sphere thay cho máy ép thủy lực
- Phương pháp này ghép các đe trong và đe ngoài quanh ô phản ứng theo cấu trúc hình cầu, rồi dùng dầu thủy lực tạo áp lực từ mọi phía để tập trung áp lực vào ô ở trung tâm
Hóa học của quy trình HPHT và kiểm soát tạp chất
- Belt press, cubic press và split-sphere khác nhau ở cách truyền áp suất, nhưng hóa học trong ô phản ứng là như nhau
- Graphite dưới áp suất cao và nhiệt độ cao sẽ chuyển thành kim cương với sự hỗ trợ của dung môi kim loại và một hạt mầm kim cương nhỏ
- Ở áp suất và nhiệt độ thấp, graphite là pha carbon ổn định nhất
- Graphite có cấu trúc tấm 2 chiều, trong đó mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử carbon khác
- Ở áp suất cao, kim cương trở thành dạng carbon ổn định hơn
- Mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử carbon khác để tạo thành mạng 3 chiều dày đặc
- Nếu biến trực tiếp graphite thành kim cương, sự chuyển cấu trúc sẽ xảy ra ở điều kiện 15 GPa và 3.000°C, nhưng do khó duy trì nhiệt độ và áp suất đồng đều nên dễ tạo ra kim cương nhỏ và thô
- Nhà sản xuất hạ thấp điều kiện cần thiết bằng cách dùng dung môi xúc tác kim loại
- Hạt mầm kim cương, graphite và dung môi kim loại chuyển tiếp như sắt được nung ở 1.300°C–1.800°C và chịu áp suất 5–7 GPa
- Kim loại nóng chảy hòa tan graphite và phân rã nó thành các nguyên tử carbon riêng lẻ
- Nếu giữ hạt mầm ở nhiệt độ thấp hơn kim loại, các nguyên tử carbon sẽ kết tủa trên bề mặt hạt mầm và kim cương phát triển
- Quá trình này mất vài tuần nhưng dễ kiểm soát hơn tổng hợp trực tiếp, đồng thời cho phép thu được cấu trúc tinh thể đơn lớn hơn, tinh khiết hơn và đồng nhất hơn
- Các tạp chất cần kiểm soát chủ yếu trong quá trình tổng hợp là nitơ và bo
- Nitơ làm kim cương có màu vàng, còn bo tạo màu xanh lam
- Các getter như nhôm, titan và zirconium hấp thụ nitơ và bo để ngăn chúng chèn vào mạng tinh thể
- Nếu cần kim cương màu vàng hoặc xanh lam thì có thể dễ dàng bổ sung nitơ hoặc bo trong quá trình sản xuất
- Kim cương màu hồng được tạo ra bằng cách thêm nitơ rồi chiếu xạ và gia nhiệt để tạo nitrogen-vacancy center, và chính khuyết tật này tạo nên màu hồng
- Kim cương màu hồng từng được đề xuất như một phương tiện để lưu trữ và thao tác thông tin lượng tử ở nhiệt độ phòng
CVD: Phương pháp chế tạo không mô phỏng tự nhiên
- Vào thập niên 1950, các viện nghiên cứu công nghiệp của Mỹ và Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô đã nghiên cứu lắng đọng hơi hóa học (CVD), một phương pháp không tái tạo điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao của tự nhiên
- CVD là phương pháp chế tạo lắng đọng vật liệu rắn từ hơi đang tham gia phản ứng hóa học
- Để tạo kim cương, cần biến carbon thành khí ở trạng thái nguyên tử ở nhiệt độ cao, rồi khi làm nguội phải dẫn hướng để nó kết tinh theo cấu trúc kim cương
- Trong bằng sáng chế năm 1958, William Eversole của Union Carbide viết rằng nếu đun nóng methane hoặc carbon monoxide cùng với mầm kim cương ở điều kiện áp suất thấp 900–1,100°C, thì kim cương sẽ lắng đọng nhanh hơn than chì
- Khi đó đây là kết quả ngoài dự đoán vì than chì ổn định hơn về mặt nhiệt động học
- Tốc độ tăng trưởng ban đầu chỉ khoảng 0.01µm/h, quá chậm để thương mại hóa
- Nhóm nghiên cứu của John Angus tại Case Western Reserve University luân phiên giữa chu kỳ tăng trưởng và chu kỳ làm sạch than chì, đồng thời phát hiện rằng phản ứng tăng tốc nếu hydro dùng để làm sạch được tách thành hydro nguyên tử
- Các nhà nghiên cứu Liên Xô phát hiện rằng nếu dùng hydro nguyên tử trong giai đoạn tăng trưởng thì có thể ức chế sự hình thành than chì và loại bỏ cả lượng than chì đã sinh ra, nên không cần giai đoạn làm sạch riêng và tốc độ tăng trưởng cũng nhanh hơn
- Mutsukazu Kamo, Seiichiro Matsumoto, Yoichiro Sato cùng các nhà nghiên cứu khác tại National Institute for Research in Inorganic Materials của Nhật Bản đã dùng sợi tungsten nung nóng, vi sóng và hồ quang điện để tách hydro thành hydro nguyên tử, nâng tốc độ tăng trưởng lên vài µm/h
- Nghiên cứu này công bố phương pháp chi tiết nên các nhà khoa học khác có thể tái hiện và mở rộng, từ đó doanh nghiệp, trường đại học và viện nghiên cứu ở Nhật, Mỹ và châu Âu cùng tham gia lĩnh vực này
Cách lò phản ứng CVD hiện đại hoạt động
- Trong lò phản ứng CVD hiện đại, nhiều mầm kim cương được đưa vào buồng chân không, và khí phản ứng chủ yếu là hydro với methane thường dưới 1%
- Mầm kim cương được gia nhiệt lên 800°C–1,200°C, còn vi sóng làm nóng khí hydro lên 2,000°C–5,000°C để phân tách thành hydro nguyên tử
- Một phần hydro nguyên tử phản ứng với carbon trên bề mặt kim cương để tạo bề mặt kết thúc bằng hydro, giúp ngăn tinh thể kim cương tái cấu trúc thành than chì
- Đồng thời, hydro nguyên tử tách một nguyên tử hydro khỏi methane để tạo methyl radical, và carbon của radical này liên kết vào bề mặt kim cương để tạo tăng trưởng
- Kim cương cỡ đá quý có thể mất vài tuần tùy theo kích thước mong muốn
- Ưu điểm lớn của CVD là buồng phản ứng không phải chịu áp suất cực hạn, nên quá trình hình thành dễ quan sát và kiểm soát hơn
- Lò phản ứng CVD có mức độ thâm dụng vốn thấp hơn máy ép HPHT
- Nhà sản xuất có thể thiết kế chính xác các đặc tính vật lý, cơ học, nhiệt và quang học bằng cách điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, thời gian phản ứng và tạp chất trong khí phản ứng
- Các cải tiến như tăng nhẹ áp suất buồng phản ứng, dùng vi sóng mạnh hơn hoặc bổ sung lượng nhỏ nitơ và oxy vào chất xúc tác đã cho phép tăng trưởng kim cương lớn, đạt chất lượng đá quý
Cách phân biệt kim cương tổng hợp
- Ở trạng thái tinh khiết, kim cương tổng hợp và kim cương tự nhiên là giống hệt nhau về mặt vật lý, hóa học và quang học
- Chuyên gia giám định phân biệt hai loại bằng cách xem xét tạp chất bị cuốn vào trong quá trình hình thành và các mẫu tăng trưởng
- Khi công nghệ sản xuất được cải thiện, kim cương tổng hợp có thể được tạo ra tinh khiết hơn cả kim cương hình thành trong lòng đất
- Ở phân khúc cao của thị trường, không thể phân biệt kim cương tổng hợp và kim cương tự nhiên bằng mắt thường
- Kim cương tự nhiên gần như luôn chứa nitơ
- Nhiều nitơ tạo ra màu vàng hoặc nâu, và ngay cả ở kim cương không màu cũng có thể bị phát hiện bằng quang phổ kế quang học
- Kim cương tự nhiên không có nitơ rất hiếm và đắt
- Trong kim cương tổng hợp, nitơ gần như luôn bị loại trừ
- Kim cương HPHT có thể chứa dấu vết chất xúc tác kim loại dùng trong sản xuất
- Nếu nồng độ cao, tạp chất sắt và cobalt có thể bị phát hiện ngay cả bằng nam châm mạnh
- Kim cương CVD đôi khi chứa than chì, có thể trông như các đốm nhỏ, hình sao chổi hoặc các đám mây phẳng
- Kim cương HPHT thường tăng trưởng dưới áp suất đồng đều nên dấu vết tăng trưởng theo hướng lập phương và bát diện có thể để lại các đường vân khuyết tật rất nhỏ
- Kim cương CVD có dạng lập phương vì được lắng đọng theo từng lớp
- Vì việc giám định khó khăn, các tổ chức phân hạng khắc ký hiệu LG hoặc Laboratory-Grown trên mép kim cương, có thể nhìn thấy ở độ phóng đại 20 lần
Thay đổi của thị trường đá quý
- Truyền thống dùng kim cương cho nhẫn đính hôn được định hình bởi chiến dịch quảng cáo của cartel De Beers
- Khi doanh số kim cương giảm trong thời kỳ Đại suy thoái, De Beers đã tận dụng diễn viên Hollywood và giới thượng lưu để gắn nhẫn kim cương với lời cầu hôn
- Câu khẩu hiệu “A Diamond Is Forever” đã được sử dụng, và thông điệp rằng nam giới nên chi một tỷ lệ nhất định trong thu nhập cũng được lan truyền
- Truyền thống này hiệu quả vì mọi người muốn có một tín hiệu cam kết được xã hội công nhận
- Giá cao là một tín hiệu tốn kém thể hiện sự giàu có và cam kết
- Nó cũng từng mang tính chất như một dạng bảo hiểm trước việc hủy bỏ lời hứa kết hôn
- Kim cương tổng hợp khó phân biệt với kim cương tự nhiên nhưng rẻ hơn rất nhiều và giá còn đang giảm, làm lung lay trạng thái cân bằng cũ
- Theo số liệu của Paul Zimnisky, kim cương tổng hợp round brilliant 1 carat, gần như không màu và có tạp thể rất nhỏ, đã giảm từ 5,440 USD năm 2016 xuống 1,325 USD năm 2024
- Cùng loại kim cương tự nhiên giảm từ 6,538 USD xuống 5,035 USD
- Khảo sát gần 10.000 cặp kết hôn trong năm 2023 của The Knot cho thấy trong nhẫn đính hôn, kim cương tổng hợp chiếm 46% còn kim cương tự nhiên chiếm 39%
- Tỷ trọng kim cương tổng hợp đã tăng từ 12% vào năm 2019
- Kim cương có thể vẫn là biểu tượng của đính hôn, nhưng bản thân viên đá sẽ dần mất sức mạnh như biểu tượng của sự giàu có hay hy sinh
- Khi kim cương tổng hợp có thể được chế tạo trong hơn, không màu hơn hoặc với màu sắc rực rỡ hơn, người tiêu dùng đang đòi hỏi nhiều hơn ở thiết kế cắt, đánh bóng, kiểu dáng gắn đá và chất lượng chế tác
- Mẫu quang học hearts and arrows chỉ xuất hiện ở round brilliant được cắt hoàn hảo là một ví dụ cho sự thay đổi này
- International Gemological Institute đã bắt đầu ghi nhận sự hiện diện của mẫu hearts and arrows trong giấy chứng nhận phân hạng do nhu cầu tăng lên
Ứng dụng hiện nay của kim cương công nghiệp
- Phần lớn kim cương được sản xuất không phải cho trang sức mà là công nghiệp
- Kim cương có các đặc tính vật lý, quang học, nhiệt, hóa học, cơ học và điện vượt trội nên được dùng trong sản xuất, xây dựng, khai khoáng, y tế và điện tử
- Kim cương tự nhiên có nhiều tạp chất nên trong ứng dụng công nghiệp cho hiệu năng thấp hơn kim cương tổng hợp
- Kim cương tổng hợp có thể được tạo ra ổn định hơn và rẻ hơn theo đúng thông số yêu cầu, vì vậy đã vượt kim cương tự nhiên trong thị trường công nghiệp từ nhiều thập niên trước
- Ứng dụng phổ biến nhất là lưỡi cắt cứng, mũi khoan, dụng cụ mài và đánh bóng, cùng vật liệu mài mòn
- Có thể gắn vào lớp phủ kim loại hoặc dán lên lõi kim loại để làm lưỡi cưa cắt đá, bê tông, nhựa đường, gạch, kính, gốm sứ và kim loại
- Mũi khoan polycrystalline diamond được tạo bằng cách nung kết các hạt kim cương ở áp suất cao và nhiệt độ cao, mạnh hơn, nhanh hơn và bền hơn tungsten carbide trong khoan dầu khí
- Với các giếng sâu tới vài km, việc thay mũi khoan đã mòn đòi hỏi phải kéo toàn bộ chuỗi cần khoan lên và tháo rời
- Mũi khoan đầu kim cương giúp giảm nhu cầu thay thế như vậy, từ đó tiết kiệm chi phí
- Một số loại đá cực cứng không thể khoan nếu không có mũi khoan kim cương
- Mũi khoan đầu kim cương cũng được dùng để khoan lỗ trên kính, đá, gốm sứ và răng
- Khi các hợp kim, polymer, gốm sứ và vật liệu composite bền hơn tiếp tục được phát triển, nhu cầu về dụng cụ kim cương để cắt và gia công chúng có khả năng sẽ còn tăng
Tiềm năng trong quang học và laser
- Kim cương trong suốt, tản nhiệt nhanh và không giãn nở nhiều ở nhiệt độ cao nên có tiềm năng lớn như một vật liệu quang học
- Laser công suất cao được dùng cho cắt, hàn, cảm biến, đánh lửa và phẫu thuật y khoa, nhưng các linh kiện hiện nay bị hư hại hoặc suy giảm do nhiệt cao nên công suất bị giới hạn
- thermal lensing là hiện tượng nhiệt độ cao và không đồng đều làm thay đổi khúc xạ của cửa sổ quang học laser, khiến tiêu điểm và căn chỉnh chùm tia xấu đi
- Kim cương có độ dẫn nhiệt và độ truyền quang tốt, đồng thời chiết suất không thay đổi nhiều theo nhiệt độ nên phù hợp làm vật liệu cửa sổ cho laser
- Kim cương cũng có thể dùng làm heat spreader để làm mát các linh kiện khác bên trong laser, qua đó tăng công suất tối đa có thể tạo ra
- Nghiên cứu sử dụng kim cương làm môi trường laser hoạt tính để khuếch đại ánh sáng cũng đang được tiến hành
- Việc này đòi hỏi các viên kim cương lớn hơn, tinh khiết hơn và hoàn hảo hơn về cấu trúc so với những gì tự nhiên có thể cung cấp
Kim cương như một vật liệu bán dẫn
- Kim cương cũng rất hứa hẹn với vai trò chất bán dẫn nhờ độ dẫn nhiệt vượt trội và vùng cấm rộng
- Tính đều đặn của mạng tinh thể kim cương và các liên kết bền vững giúp truyền nhiệt nhanh và hiệu quả
- Vùng cấm rộng đồng nghĩa với khả năng xử lý nhiệt độ và điện áp cao, nên hữu ích cho các thiết bị hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt như động cơ, tháp radio, thiết bị khoan, tàu vũ trụ, tấm pin mặt trời và lưới điện
- Độ dẫn nhiệt của silicon là 1.5W/cm·K, còn kim cương là 22W/cm·K
- Khi số lượng transistor trên vi mạch tăng lên và chip ngày càng nhỏ hơn, vấn đề tản nhiệt đã trở nên nghiêm trọng hơn
- Nhiệt làm giảm hiệu năng vi mạch và giới hạn mật độ bố trí transistor
- Kim cương đã được dùng làm
heat spreaderngay trong các chip nền silicon hiện có
- Vùng cấm của kim cương là 5.45eV, rộng hơn mức 1.1eV của silicon
- Giá trị đánh thủng điện môi của kim cương là 10mV/cm, còn silicon là 0.3mV/cm
- Kim cương phù hợp hơn cho các ứng dụng điện áp cao như phát và phân phối điện
- Ở cùng một mức điện áp, cần ít vật liệu hơn nên có thể làm chip nhỏ hơn
- Độ linh động của electron và lỗ trống cũng nhanh hơn so với các chất bán dẫn vùng cấm rộng khác
- Các ước tính thận trọng cho thấy độ linh động electron là 1,000cm²/Vs và độ linh động lỗ trống là 2,000cm²/Vs
- Cũng đã có báo cáo ghi nhận độ linh động electron 4,500cm²/Vs và độ linh động lỗ trống 3,800cm²/Vs
- Silicon có độ linh động electron 1,500cm²/Vs và độ linh động lỗ trống 480cm²/Vs
Những bài toán còn lại của kim cương cho bán dẫn
- Hiện nay, bất chấp các tiến bộ gần đây, kim cương vẫn đắt hơn silicon khoảng 10.000 lần
- Đế kim cương cần cho sản xuất bán dẫn phải lớn hơn mức hiện có thể chế tạo
- Wafer silicon hiện có thể làm tới đường kính 300mm
- Wafer kim cương làm bằng HPHT hiện bị giới hạn ở 10mm
- Wafer kim cương CVD có thể làm lớn hơn một chút, nhưng thường có nhiều khuyết tật nên mức độ hữu dụng cho bán dẫn thường thấp
- Vấn đề cấp bách hơn là pha tạp
- Kim cương tinh khiết là chất cách điện, nên để dùng làm bán dẫn thì phải đưa vào các tạp chất cho điện tử hoặc nhận điện tử
- Bán dẫn kim cương loại p không quá khó
- Bo có ít hơn carbon một electron nên là chất nhận electron, và khi được thêm vào như tạp chất trong quá trình chế tạo thì dễ tích hợp vào mạng tinh thể
- Bán dẫn kim cương loại n thì khó
- Nitơ có electron dư, nhưng cần năng lượng rất lớn để đưa nó lên vùng dẫn
- Phốt pho hứa hẹn hơn, nhưng lớn hơn carbon nên khó đưa vào mạng tinh thể kim cương dày đặc, và năng lượng để giải phóng electron vẫn còn cao
- Với bán dẫn kim cương loại n dùng ở nhiệt độ cao, việc đạt được năng lượng hoạt hóa cần thiết dễ hơn, nhưng với bán dẫn dùng ở nhiệt độ phòng thì cần chất cho điện tử phù hợp hơn
- Việc tìm donor loại n cho điều kiện nhiệt độ phòng vẫn là một bài toán bỏ ngỏ
Kết luận: vật liệu nhân tạo tốt hơn tự nhiên
- Trong tự nhiên, kim cương hình thành khi các chất lỏng chứa carbon kết tinh chậm dưới nhiệt độ và áp suất cao ở sâu trong lớp phủ Trái Đất, rồi được các đợt phun trào núi lửa đưa lên bề mặt
- Khai thác là một quá trình bẩn, và để lấy được 1 carat từ lòng đất phải đào lên tới 1.000 tấn đất
- Phần lớn kim cương tự nhiên không đẹp mắt, bị đổi màu và chứa nhiều tạp chất
- Trong phòng thí nghiệm, có thể tạo ra kim cương tinh khiết hơn, đẹp hơn và bền hơn trong thời gian ngắn hơn với ít tài nguyên hơn
- Nếu cần, có thể đưa vào các tạp chất cụ thể để thay đổi các tính chất quang học, cơ học và điện
- Kim cương tổng hợp thời kỳ đầu được tạo ra bằng HPHT mô phỏng cách hình thành trong lòng Trái Đất, còn ngày nay cũng được sản xuất bằng CVD, một phương pháp chưa từng được quan sát thấy trong tự nhiên
- Trái với niềm tin rằng những gì tự nhiên là tốt còn thứ do con người tạo ra thì kém hơn hoặc có hại, trong khoa học vật liệu từ lâu đã tồn tại các vật liệu nhân tạo vượt trội hơn vật liệu tự nhiên như thép, nhựa, polyester, bê tông, gốm sứ và thủy tinh
- Kim cương tổng hợp là thêm một ví dụ cho thấy trí tuệ con người và phương pháp khoa học có thể cải thiện những gì tự nhiên tạo ra
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Bài viết hay và bao quát tốt toàn bộ lịch sử
Mảng thương mại cũng đã phát triển mạnh. Nếu tìm "diamond making machine" trên Alibaba, có thể mua máy ép 6 mặt áp suất cao, nhiệt độ cao với giá khoảng 200.000 USD, và thiết bị lắng đọng hơi hóa học cũng có giá tương tự
De Beers, cartel kim cương, có một tổ chức R&D tên là Element Six và bán kim cương tổng hợp cho các mục đích chuyên dụng như laser. Trình độ công nghệ đã lên đến mức giảm khuyết tật xuống còn 1 phần tỷ, và thậm chí tạo được cửa sổ kim cương dùng cho laser đường kính 10 cm. Vượt xa cấp độ đá quý
Ở phía kim cương tự nhiên, công nghệ dùng tia X công nghiệp để phát hiện kim cương trước khi nghiền đá cũng đang hoạt động tốt, và gần đây một viên kim cương 2.500 carat cũng được phát hiện. TOMRA cũng sản xuất máy phân loại cho mục đích này, và giờ đây ngay cả những viên kim cương khổng lồ quá lớn để dùng làm trang sức cũng gần như dư cung
Các công đoạn cắt và đánh bóng hoàn thiện cũng đã được tự động hóa, thiết bị chủ yếu đến từ Trung Quốc và Ấn Độ. Giờ kim cương đã trở thành thứ có thể mua theo kilogram, đựng trong túi nhựa
[1] https://e6-prd-cdn-01.azureedge.net/mediacontainer/medialibr...
[2] https://www.forbes.com/sites/amandakooser/2024/08/23/monster...
[3] https://ikcabstracts.com/index.php/ikc/article/download/4101...
Nó có chiết suất cao hơn thủy tinh 65%, có độ dẫn nhiệt gấp 8 lần đồng, và hoàn toàn chống trầy xước
Một chiếc chảo với một lớp mỏng thép không gỉ 430 dùng cho bếp từ, một wafer kim cương, rồi lại phủ một lớp thép không gỉ mỏng, có vẻ sẽ cho khả năng gia nhiệt gần như hoàn toàn đồng đều với bất kỳ nguồn nhiệt nào
Khi giá wafer đã gia công tăng lên, tỷ trọng chi phí của wafer nguyên liệu đang nhỏ dần. Nếu thêm cả quang khắc tia X vào nữa, định luật Moore có thể còn tiếp tục được khá lâu
Trong 10 năm qua, số nhà sản xuất kim cương phòng thí nghiệm và moissanite giá rẻ ở Trung Quốc và Ấn Độ đã bùng nổ
10 năm trước, khó tìm được kim cương phòng thí nghiệm chất lượng cao với giá hợp lý, và moissanite cũng khá đắt, khoảng 400–600 USD mỗi carat
Giờ đây, do cạnh tranh khốc liệt và chiến lược giá lao xuống đáy, kim cương phòng thí nghiệm đã trở nên phổ biến, chất lượng rất cao, và nhiều khi dưới 200 USD mỗi carat: https://detail.1688.com/offer/751071300271.html
Moissanite thì ngay cả giá bán lẻ cũng dưới 5 USD mỗi carat: https://detail.1688.com/offer/586468555080.html
Tôi đã tự mua thử và đó là hàng thật. Trong vòng 10 năm tới, có lẽ kim cương sẽ mất gần như toàn bộ giá trị. Moissanite thì đã gần như không còn giá trị, giống như ruby tổng hợp, và có vẻ các loại đá quý này sẽ mở ra những ứng dụng công nghiệp mới
Có giũa kim cương, lưỡi cắt/bánh cắt/mũi khoan kim cương, và cũng có thể làm kính. Vì giá cả nên chỉ những phòng thí nghiệm thật sự cần mới dùng, nhưng ứng dụng còn nhiều hơn nữa
Nhiều ứng dụng trong số này không quá quan tâm đến kích thước, chất lượng hay độ trong suốt. Thay vì phụ thuộc vào phế liệu hoặc hàng bị loại từ chế tác đá quý, có thể tự sản xuất để bảo đảm nguồn cung
Điều đặc biệt tốt là nhờ giá kim cương tổng hợp giảm, bánh cắt kim cương và dụng cụ giũa đã trở nên rẻ và phổ biến. Giờ có thể mua một bộ giũa kim cương trên Amazon với giá dưới 10 USD, điều này khá đáng kinh ngạc
Việc họ tồn tại hơn 100 năm đã là điều đáng kinh ngạc, nhưng việc đẩy giá kim cương lên một cách nhân tạo bằng marketing khôn khéo và kiểm soát nguồn cung thì không hề mang tính sản xuất
Khi De Beers thúc đẩy kiểu marketing hư cấu rằng “hãy chứng minh giá trị của mình với người phụ nữ bạn cầu hôn” cho những viên đá lấp lánh mà chẳng ai muốn mua, những người thiếu hiểu biết đã bị thao túng mà mua chúng
Kim cương cũng rất phổ biến trong vũ trụ, và có lẽ cũng phổ biến ở sâu trong lòng Trái Đất. Việc điều chỉnh giá là một thay đổi lành mạnh và về dài hạn có lợi cho nhân loại. Không có điểm tốt nào trong những tác động của nó đối với châu Phi, và một vấn đề mà chẳng ai quan tâm đang được giải quyết từ một hướng khác
Họ đã biết chuyện gì sắp xảy ra rồi
Nội dung do con người tạo ra trong tương lai cũng có thể tương tự. Đó là vấn đề về tín hiệu địa vị: bạn có thể mua một sản phẩm kém hơn và đắt hơn
Nếu bạn mơ trở thành nhà phát minh hay kỹ sư, hãy nhìn kỹ Hall đã được đối xử thế nào ở GE
Ông đã phát minh ra một công nghệ làm thay đổi cục diện trong lúc ban lãnh đạo ném đủ loại chướng ngại vật vào ông, nhưng thứ ông nhận được chỉ là tăng lương 10% và một trái phiếu tiết kiệm 10 đô la
Nếu làm một mình, ông có thể đã trở nên cực kỳ giàu có khi cung cấp kim cương tổng hợp cho cả thế giới. Tất nhiên với điều kiện không vướng tranh chấp pháp lý với chủ cũ, nhưng ông cũng có thể toàn thời gian phát triển công nghệ đó xa hơn
Việc những người có quyền lực nói đó không phải là ý hay không có nghĩa nó thực sự là ý tưởng tệ. Dĩ nhiên cũng không có nghĩa đó là ý tưởng hay, nhưng nếu họ bảo bạn đừng làm, thì đừng cứ thế trao đi một ý tưởng tuyệt vời; hãy tự làm và hưởng lợi khi nó biến thành mỏ vàng
https://en.wikipedia.org/wiki/Shuji_Nakamura#Careers
Tôi thấy trong một thời gian, kim cương nuôi cấy trong phòng thí nghiệm đã rẻ hơn đáng kể so với kim cương khai thác. Có trường hợp rẻ hơn tới 2–3 lần
Điều thú vị là kim cương càng tinh khiết, tức càng trong và ít tạp chất, giá mỗi carat càng tăng, cho đến khoảnh khắc nó quá tinh khiết đến mức nghĩa là không phải tự nhiên mà là hàng phòng thí nghiệm, thì giá lại giảm
Tôi bắt đầu tìm hiểu về kim cương từ 2 năm trước khi cầu hôn người vợ hiện tại, và đào rất sâu vào cả hóa học, lịch sử lẫn marketing
Hàng phòng thí nghiệm là lựa chọn không cần đắn đo. Với số tiền đủ mua một viên 1 carat tệ hại từ DeBeers, tôi đã mua được một viên đá lớn không tì vết
Điều hối tiếc duy nhất là vài năm nữa, số tiền tôi trả cho viên kim cương đó có lẽ cũng sẽ cao hơn giá thị trường rất nhiều, nhưng dù sao thì rồi cũng phải cưới. Có khi kỷ niệm 10 năm ngày cưới tôi sẽ mua cho cô ấy một viên kim cương cỡ quả bóng golf
Cũng tò mò liệu hôn thê có thật sự kỳ vọng một viên kim cương không, và nếu đó là một món đồ khác chỉ có giá trị với riêng hai người thì cô ấy có thất vọng không
Nó lấp lánh hơn nhiều, rẻ hơn, và ít nhất trong vòng quen biết của tôi, vẫn được đón nhận như một thứ tuyệt vời không kém
Tuy nhiên nếu đối phương muốn “kim cương thật” thì hàng phòng thí nghiệm cũng sẽ không được
Năm ngoái khi đính hôn và mua nhẫn, tôi mua ở một nơi có quy trình bài bản đến mức không cần phải trực tiếp đến cửa hàng, và họ dùng đá quý nuôi cấy trong phòng thí nghiệm
Chất lượng khá cao, màu sắc cũng ấn tượng; hôn thê của tôi chọn sapphire hồng và giá thấp hơn tôi dự tính rất nhiều
Ở thời điểm này tôi không hiểu vì sao còn có người muốn kim cương “thật”. Bạn có thể có viên đá tốt hơn với giá rẻ hơn, không vướng cảm giác lấn cấn về đạo đức, và riêng việc có thể lắp ráp viên đá mình muốn ở cấp độ phân tử, nhìn từ góc độ một người mê khoa học, đã cực kỳ ngầu
Trong đó có năng lượng nguyên sơ và câu chuyện. Một thác nước hùng vĩ do các kỹ sư tạo ra để chảy trên một khối đá đẹp sản xuất trong nhà máy, liệu có thể tạo cảm giác kính sợ như một thác nước hình thành qua hàng nghìn năm địa chất không?
Câu “kim cương phòng thí nghiệm là bằng chứng cho nguyên tắc rằng con người có thể làm tốt hơn tự nhiên ở những việc tự nhiên làm được” có vẻ như một sự ngạo mạn sâu sắc lộ ra trong một bài viết thú vị
Kim cương tự nhiên vốn đã đang bị bán tháo trên quy mô lớn, chỉ là chậm rãi. Người trong ngành đã biết từ lâu rằng ngày này sẽ đến
Nó trở thành bài toán điển hình về người cuối cùng cầm túi
Ở một số quốc gia, lượng tồn kho mà cá nhân hoặc gia đình tích trữ lâu nay giờ có giá trị thấp hơn nhiều. Cấu trúc ngành kim cương khác nhau theo từng nước, nhưng ở nơi các nhà buôn cá nhân nắm nhiều hàng tồn kho, họ càng có động cơ phản đối đá tổng hợp
Tôi đã tận mắt thấy điều đó ở Thổ Nhĩ Kỳ. Khoảng một năm rưỡi trước, tôi tặng hôn thê một chiếc nhẫn moissanite rất đẹp, và khi cho các thợ kim hoàn xem, phần lớn họ đều phải cố diễn thái độ kiểu “Chúc mừng hai bạn kết hôn, nhưng tôi chỉ có thể xử lý đá thật. Những thứ như thế này thậm chí không nên nhìn đến”
Khó mà trách họ. Rất nhiều cửa hàng gia đình như vậy đang giữ hàng tồn kim cương tự nhiên trị giá hàng trăm nghìn đến hàng triệu đô la tích lũy suốt nhiều năm, rồi bỗng xuất hiện một thứ vượt trội về mọi mặt mà giá chỉ bằng một phần
Ở một số nơi trên thế giới, sự chống đối đá quý phòng thí nghiệm thậm chí còn mang tính bạo lực. Nhưng ngành kim cương tự nhiên còn bạo lực hơn nhiều, và thật tốt khi được thấy cách khai thác kim cương đang dần trở thành chuyện quá khứ
Khi cân nhắc kim cương, cũng nên nhìn vào giá trị bán lại. Nó tệ khủng khiếp
Nếu một thứ về cơ bản gần như không nên bị hao mòn, thì sau khi dùng, mức giá người khác sẵn sàng trả lẽ ra phải gần với giá thật
Câu này đúng nếu kèm theo vài điều kiện
Nếu bạn quan tâm đến kim cương cấp đầu tư loại mà các nhà đấu giá lớn có thể xử lý, thì bạn sẽ thấy những viên có trọng lượng lớn hoặc màu fancy mà đá tổng hợp vẫn chưa đạt tới
Trong giao dịch kim cương, những viên đá thô hoàn hảo hoặc gần như hoàn hảo trên 100 carat đôi khi được gọi là “paragon”, và cũng có một danh sách dài các trường hợp nổi tiếng, nhưng theo tôi biết, viên tổng hợp cấp trang sức lớn nhất hiện vẫn chỉ khoảng 30 carat. Các màu sắc rực rỡ thì bị giới hạn ở kích thước nhỏ hơn nhiều
Dù vậy, tôi nghĩ trong vài chục năm nữa chúng có thể vượt qua tự nhiên. Ít nhất là với kim cương trên Trái Đất; tôi cũng nhớ từng đọc ở đâu đó về việc phát hiện một viên kim cương vũ trụ cỡ Mặt Trăng
Giá đang rơi nhanh như đá rơi từ tháp cao, còn màu sắc và lựa chọn thì ngày càng nhiều hơn. Trong vòng 10 năm nữa, với các màu phổ biến, bạn sẽ có thể mua gần như bất kỳ viên kim cương nào với giá rẻ hơn một viên đá thô 2 carat của năm 2014
Nếu thích đá quý khổng lồ, ngay bây giờ bạn cũng có thể mua moissanite 1000 carat. Trên Amazon.com cũng có ví dụ loại 100 carat: https://www.amazon.com/Gemonite-15CT-100CT-Moissanite-Colorl...
10 năm trước thì chuyện này còn không thể tưởng tượng nổi. Ngành kim cương và đá quý đang thay đổi rất nhanh
Kim cương chưa bao giờ hiếm như các nhà đầu tư muốn tin, và tình hình sẽ còn tệ hơn