博士生導師王繼揚
A. 合成碳硅石寶石
陳秀芳徐現剛田亮光蔣民華
作者簡介：陳秀芳，山東大學晶體材料研究所在讀博士；徐現剛，山東大學晶體材料研究所教授、博士生導師，本文在「中國人工寶石發展論壇」上的報告者；田亮光，中寶協第三屆人工寶石專業委員會委員，山東省質量技術監督局研究員。
一、引言
本文敘述了一種新的寶石材料，也是迄今為止最令人信服的鑽石仿製品——合成碳硅石（SiC），如圖1所示。一般鑽石仿製品通常僅能模仿鑽石的一兩項技術指標，而合成碳硅石的光澤、亮度、火彩等都和鑽石極為相似，尤其是合成碳硅石的熱導性高，用常規的鑽石熱導儀難以與鑽石區分，模擬性遠超過以前的最佳鑽石替代品——合成立方氧化鋯（吳偉娟等，1999）。一般認為寶石的最重要的物理特性是硬度、折射率和顏色。合成碳硅石具有與鑽石相同的光澤，僅次於鑽石（摩氏硬度10）的高硬度（8.5～9.25），比鑽石（折射率2.417）略高的折射率（2.5～2.71），雙折射率為0.043，色散為0.014，化學穩定性好，幾乎不與其他物質反應，韌性好，熱導率高，熱穩定性好，在空氣中加熱到1400℃而不損壞，因此被稱為最新一代鑽石仿製品（Kurt,1999）。它是一種新的實驗室合成寶石。
圖1 合成碳硅石戒指
二、合成碳硅石的結構
SiC寶石是一種復雜的材料系統，它的奇特性質之一就是其結構的多型性（王世忠等，1999）。結構單元為SiC4或CSi4四面體結構，屬於密堆積結構，由於單向堆積方式的不同產生各種不同的晶型，目前已經發現的晶型有200餘種，分為立方結構、六方結構和菱方結構等，每一種都可稱為「SiC寶石」，較為常見的有3C、15R、6H、4H和2H，圖2列出了幾種SiC多型的堆垛結構（郝躍等，2000）。這里敘述的是合成的6H-SiC寶石，另一種能獲得大直徑單晶的多型為4H-SiC。
圖2 幾種SiC多型的堆垛結構
三、合成碳硅石單晶的生長
SiC單晶一般採用升華法生長，用該法可生長出大尺寸、高質量SiC單晶（徐現剛等，2003;Tairov et al.,1978;LLiu et al.,2002）。具體生長步驟如下：把籽晶置於坩堝的上蓋底部，高純SiC粉源料置於坩堝底部，生長室壓力在50～120Mbar 1bar=100kPa。 1英寸＝25.4mm。
圖3 2英寸和3英寸SiC單晶
四、合成碳硅石的成形
SiC單晶生長過程中通過摻雜不同元素可獲得不同顏色的晶體。因此 SiC是一種非常優異的彩色寶石材料。SiC的摻雜物有Nn（型）和Al、B、Be、Ga、（）、Sc（p型）等。未摻雜的6H-SiC和4 H-SiC顯無色，在6 H-SiC中摻氮（n型）和鋁（p型），分別得到了綠色和藍色的6H-SiC單晶。在4H-SiC中摻入低濃度的氮可得到淡棕色的4H-SiC單晶。3C-SiC顯黃色，而摻氮的3C-SiC顯黃綠色。
圖4 SiC寶石
生長出無色或彩色SiC單晶後，該晶體作為毛坯被切割成不同大小的粗人造寶石，然後經研磨和拋光製成無色或彩色合成碳硅石成品。合成碳硅石的硬度、韌性和各向異性使得能夠以很尖銳的角度磨刻面，因此可獲得很好的外形和光澤，從而能達到形美和質美的高度和諧統一。表1比較了鑽石、合成碳硅石和立方氧化鋯的寶石學特性。
表1 鑽石、合成碳硅石和立方氧化鋯的寶石學特性比較
五、結論
由於合成碳硅石優越的寶石學特性，與鑽石相比，它具有高的色散、相似的亮度、較高的折射率和較低的相對密度；硬度最接近於鑽石，並具有明顯的雙折射，迄今為止是最佳的鑽石仿製品。由於堆積方式的不同，碳化硅具有多種不同晶型，分為立方結構、六方結構和菱方結構。通過升華法生長直徑為2英寸或3英寸的無色或彩色SiC單晶，然後經過切割、研磨和拋光加工成合成碳硅石成品。
參考文獻
郝躍，彭軍，楊銀堂.2000.碳化硅寬禁帶半導體技術.北京：科學出版社.
吳偉娟，段體玉.1999.珠寶檢測.珠寶科技，2:41.
王世忠，徐良瑛，束碧雲，等.1999.SiC的性質、生長和應用.無機材料學報，14（4）:527.
徐現剛，胡小波，王繼揚，等.2003.大直徑6H-SiC單晶的生長.人工晶體學報，32（5）.
Kurt Nassau.1999.莫依桑石：一種新的合成寶石材料.寶石和寶石學雜志，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