1、陈秀芳　徐现刚　田亮光　蒋民华作者简介：陈秀芳，山东大学晶体材料研究所在读博士；徐现刚，山东大学晶体材料研究所教授、博士生导师，本文在“中国人工宝石发展论坛”上的报告者；田亮光，中宝协第三届人工宝石专业委员会委员，山东省质量技术监督局研究员。

【资料图】

2、一、引言本文叙述了一种新的宝石材料，也是迄今为止最令人信服的钻石仿制品——合成碳硅石（SiC），如图1所示。

3、一般钻石仿制品通常仅能模仿钻石的一两项技术指标，而合成碳硅石的光泽、亮度、火彩等都和钻石极为相似，尤其是合成碳硅石的热导性高，用常规的钻石热导仪难以与钻石区分，仿真性远超过以前的最佳钻石替代品——合成立方氧化锆（吴伟娟等，1999）。

4、一般认为宝石的最重要的物理特性是硬度、折射率和颜色。

5、合成碳硅石具有与钻石相同的光泽，仅次于钻石（摩氏硬度10）的高硬度（8.5～9.25），比钻石（折射率2.417）略高的折射率（2.5～2.71），双折射率为0.043，色散为0.014，化学稳定性好，几乎不与其他物质反应，韧性好，热导率高，热稳定性好，在空气中加热到1400℃而不损坏，因此被称为最新一代钻石仿制品（Kurt,1999）。

6、它是一种新的实验室合成宝石。

7、图1 合成碳硅石戒指二、合成碳硅石的结构SiC宝石是一种复杂的材料系统，它的奇特性质之一就是其结构的多型性（王世忠等，1999）。

8、结构单元为SiC4或CSi4四面体结构，属于密堆积结构，由于单向堆积方式的不同产生各种不同的晶型，目前已经发现的晶型有200余种，分为立方结构、六方结构和菱方结构等，每一种都可称为“SiC宝石”，较为常见的有3C、15R、6H、4H和2H，图2列出了几种SiC多型的堆垛结构（郝跃等，2000）。

9、这里叙述的是合成的6H-SiC宝石，另一种能获得大直径单晶的多型为4H-SiC。

10、图2 几种SiC多型的堆垛结构三、合成碳硅石单晶的生长SiC单晶一般采用升华法生长，用该法可生长出大尺寸、高质量SiC单晶（徐现刚等，2003;Tairov et al.,1978;LLiu et al.,2002）。

11、具体生长步骤如下：把籽晶置于坩埚的上盖底部，高纯SiC粉源料置于坩埚底部，生长室压力在50～120Mbar1bar=100kPa。

12、，生长温度为2000～2500℃，底部的SiC粉料分解为Si、SiC2和Si2C三种主要气相组分，输运到温度较低的籽晶表面，通过沉积，使得晶体不断生长。

13、经过80～100h的生长，可获得厚度为15～25mm、直径为2英寸1英寸＝25.4mm。

14、或3英寸的无色或彩色SiC单晶。

15、图3是我们利用该法生长的2英寸和3英寸SiC单晶，其平均微管的密度小于100个/cm2。

16、图3 2英寸和3英寸SiC单晶四、合成碳硅石的成形SiC单晶生长过程中通过掺杂不同元素可获得不同颜色的晶体。

17、因此 SiC是一种非常优异的彩色宝石材料。

18、SiC的掺杂物有Nn（型）和Al、B、Be、Ga、（）、Sc（p型）等。

19、未掺杂的6H-SiC和4 H-SiC显无色，在6 H-SiC中掺氮（n型）和铝（p型），分别得到了绿色和蓝色的6H-SiC单晶。

20、在4H-SiC中掺入低浓度的氮可得到淡棕色的4H-SiC单晶。

21、3C-SiC显黄色，而掺氮的3C-SiC显黄绿色。

22、图4 SiC宝石生长出无色或彩色SiC单晶后，该晶体作为毛坯被切割成不同大小的粗人造宝石，然后经研磨和抛光制成无色或彩色合成碳硅石成品。

23、合成碳硅石的硬度、韧性和各向异性使得能够以很尖锐的角度磨刻面，因此可获得很好的外形和光泽，从而能达到形美和质美的高度和谐统一。

24、表1比较了钻石、合成碳硅石和立方氧化锆的宝石学特性。

25、表1 钻石、合成碳硅石和立方氧化锆的宝石学特性比较五、结论由于合成碳硅石优越的宝石学特性，与钻石相比，它具有高的色散、相似的亮度、较高的折射率和较低的相对密度；硬度最接近于钻石，并具有明显的双折射，迄今为止是最佳的钻石仿制品。

26、由于堆积方式的不同，碳化硅具有多种不同晶型，分为立方结构、六方结构和菱方结构。

27、通过升华法生长直径为2英寸或3英寸的无色或彩色SiC单晶，然后经过切割、研磨和抛光加工成合成碳硅石成品。

28、参考文献郝跃，彭军，杨银堂.2000.碳化硅宽禁带半导体技术.北京：科学出版社.吴伟娟，段体玉.1999.珠宝检测.珠宝科技，2:41.王世忠，徐良瑛，束碧云，等.1999.SiC的性质、生长和应用.无机材料学报，14（4）:527.徐现刚，胡小波，王继扬，等.2003.大直径6H-SiC单晶的生长.人工晶体学报，32（5）.Kurt Nassau.1999.莫依桑石：一种新的合成宝石材料.宝石和宝石学杂志，1（4）:47.L Liu,Edgar J H.2002.Substrates for Gallium Nitride Epi-taxy.Materials Scienceand Engineering R,37（3）:61.Tairov Y M,Tsvetkov V F.1978.Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals.Journal ofCrystal Growth,43:209。

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