單晶生長

有兩途徑：

一、從熔體中結晶 當溶體溫度低於熔點時，晶體開始生長。

ex.維爾納葉焰熔法、區域熔煉法、晶體提拉法、殻熔法

二、從溶液中結晶 ex.助熔劑法、水熱法

二者皆需要成核作用發生。

成核作用條件： 一群原子以有序結構連續生長，以擴展成晶體。

a.熔體中的成核作用，熔體黏度不能過高或冷卻過快，否則形成玻璃。

b.溶液中的成核作用，取決於溶液的飽和[1]溫度。一般而言，溫度越高，溶液能溶解的固體材料越多。當溫度下降，溶液中過多的固體材料開始成核作用。定量溶液中所含固體材料的數量超過該溫度下溶液所能溶解的最大值，則發生成核作用。

瓶頸:

成核作用多不發生在液體內，而是發生在表面。如容器邊緣或懸浮顆粒表面。

­à難於控制成核數量，因而也難以控制晶體數量與大小。

à單晶生長受溶液中或容器邊緣其他單晶生長干擾。

Solution:

以籽晶提供原子結合的合適表面。人造晶體的生長控制，即是使液體中的原子結合到籽晶表面。

一、從熔體中結晶

(1)    維爾納葉焰熔法

將合適化學成分之粉末投入高溫氫氧焰，融化的粉末落到表面冷卻，結成梨晶。

優點：快速、便宜

適用：合成剛玉、合成星光剛玉、合成尖晶石

(2)    改進的維爾納葉焰熔法

在富氧氛圍中退火，以除去顏色。

適用：合成金紅石仿鑽石、鈦酸鍶仿鑽石

(3) 區域熔煉（浮帶）法

局部熔融原料粉末或燒結棒。熔融過程從原料的一端漸移至另一端。

浮帶法：燒結棒以卡盤固定於蓄熱管內，旋轉燒結棒使其下降通過射頻加熱線圈。熔融帶僅靠表面張力支撐，故稱為「浮帶」。

優點：高純度、少包裹體或生長帶。

缺點：成本高。多用於生產工業材料。

適用：合成剛玉、合成變石

(4)丘克拉斯基 （晶體提拉）法

藉高頻微波輻射產生熱量，使溫度保持在臨界（不足以融化籽晶或使熔體結晶）只比熔點高出幾度。

將梨晶與部分熔體表面接觸。旋轉籽晶，從坩鍋中的熔融材料表面逐漸拉升。圍繞籽晶形成一個圓柱狀晶體。

瓶頸 ＆ Solution：

1. 生長剛玉的熔點為2030℃ 坩鍋材料需採用銥 （熔點為2442℃ ）以承受此一高溫。

2. 為控制冷卻速度，設備需置於氧化鋯容器中，以微波輻射加熱並控溫。

優點： 生產高質量工業用晶體。以精密技術控制晶體生長可得到高純度、無成因證據的晶體。

適用：合成剛玉、合成尖晶石、合成變石、YAG (釔鋁榴石)、GGG (釓鎵石) 。

(5)   殼熔法

方法：用微波熔融材料。使材料在極高溫下重結晶。坩鍋內表面為藉水冷維持固態的氧化鋯。氧化鋯在室溫下為單斜晶系，當溫度超過2000℃ 時，氧化鋯為立方晶系。添加穩定劑ex. 氧化鈣、氧化釔，可使晶體在室溫下維持立方晶系。

瓶頸：生產穩定的立方氧化鋯需維持在熔點2500℃ 沒有任何金屬可承受此一高溫。

Solution:

1. 將加了穩定劑的氧化鋯填入銅棒組成的坩鍋，銅棒四周以水冷卻。2. 微波加熱容器內的金屬鋯，使其融化並氧化成為氧化鋯，迅速擴展至容器內的氧化鋯粉末。如此所有粉末便在厚度不到1mm 、藉水冷系統維持在熔點下的的氧化鋯固體殼中融化。加入適當的著色劑可生產任何顏色的CZ。

3.氧化鋯維持熔融狀態數小時後，將底部的殼緩緩移出加熱線圈，容器底的溫度最先冷卻，因此從底部開始結晶。晶體成平行柱狀，向上生長至完全固化。約長5cm，寬2.5cm。

4. 開始加工刻面之前，需「退火」以減少內部應變。意即將晶體重新加熱至1400℃ ，消除晶體結構中的不規則性與應變。

適用：主要用來生產CZ（立方氧化鋯ZrO₂）。

優點：成本便宜。除偶見小氣泡，多數CZ不含包裹體。

二、從溶液中結晶

(1) 助熔劑法

助溶劑可使晶體生長的溫度低於該晶體熔融狀態下的晶出溫度。

適用：

合成剛玉、合成尖晶石。 綠柱石在熔融狀態下會分離，而無法從熔融狀態下晶出。助溶劑使綠柱石在比其熔點低的溫度下重結晶。

Ex.助熔劑法合成剛玉

材料＆方法：

助熔劑---氧化鉛、氧化硼、氧化鋁

寶石材料---氧化鋁、致色元素  在1300℃融化至助熔劑中。

以每小時2℃ 之速度增溫至（八天後）915℃ 上下，自坩鍋底部倒出助熔劑，回收晶體。

成效：每14天約可產14kg 紅寶石。

生產助熔劑合成紅寶的公司有：查塔姆、卡善、拉莫拉、尼希卡etc.

(2) 水熱法

模仿自然界中，許多礦物從高溫高壓水溶液中晶出的環境。

作法：

將寶石原料置於裝了部分水的密閉金屬容器中，加熱至一大氣壓力沸點 (100℃ ) 之上，密閉釜中的水在200 ℃ 時可溶解材料。

適用：合成祖母綠、合成石英、偶而用於合成剛玉。

＊曾用於塗層祖母綠，現已罕見：1960s 李奇來尼 Johann Lechleitner 在刻面的淺色綠柱石籽晶上生長薄層水熱法祖母綠。

三、合成莫依桑石

為碳化矽的寶石品種。碳化矽為常見的磨料，商業上稱金剛砂 (Carborundum)。

生產過程

為一極高溫的蒸氣轉換過程。碳化矽粉末在真空中而後在氬氣中加熱到2300℃ 融化之前已蒸發。蒸發氣體穿過石墨，在2200℃ 下沈澱於旋轉的籽晶，成為合成莫依桑梨晶或棒。

碳化矽有多種變體，皆稱為莫依桑石：

1.      寶石級莫依桑石 六方晶系對稱結構。明顯雙折射。加工寶石級莫依桑石時，將桌面垂直於光軸，使從桌面觀察時，雙折射較不明顯。

Tip 1. 將寶石傾斜以放大鏡觀察較容易看出雙折射。

   Tip 2. 從桌面正上方觀察寶石亭部圍繞底尖產生的八邊形重影。

2.      立方晶系的莫依桑石  立方晶系。尚未大量生產。呈深黃色。和鑽石一樣具光學各向同性。

＊莫依桑石在寶石學中稱為「合成的」。因為它的天然對應物僅見於被隕石撞擊的岩石中或慶伯力岩層中，卻沒有寶石級的天然對應物。

礦物學上，可視為「合成」。而寶石學意義上，則視為「人造」。兩者皆正確。

四、合成鑽石

歷史：

1950s  1953瑞士開發「壓力球」成功生產出合成小鑽

       1955 GE 壓帶裝置

       1959 De Bears

1960~70s GE 和 De Bears 生產合成鑽砂

1971        GE公布生產直徑達6mm 合成鑽石

1980~90s 

1985 日本住友電器開始生產合成鑽石 

1993住友電器可生產高純度工業用合成鑽

1990 俄羅斯公布「分裂壓力球」（BARS系統）

上述合成鑽石方法皆採用高溫高壓設備----大約需要7G Pa 極高壓 、1800℃ 極高溫。

(1) 壓帶法

以鑽石粉為碳源，與金屬助熔劑（鐵或鎳）同置於反應艙中。反應艙置於沖墊中、再放入兩個鉆之間。反應艙因此承受高溫高壓。鑽石粉末熔解，穿過助熔劑，朝反應艙底部較低溫處移動並重結晶於鑽石籽晶上。新的晶體取決於籽晶的結晶取向。

(3)    BARS系統 （分裂球無壓裝置）

將液體注入壓力筒獲得高壓。反應艙內部為立方空間。放入加熱裝置、籽晶、鑽石粉末（碳源）、金屬助熔劑。與壓帶法的使用相似。

五、「合成」蛋白石

嚴格來說只是「仿製品」 （模仿氧化矽球體的規則排列），因其並非精確地複製天然對應物。

分成三階段：

(1) 氧化矽球體的形成

 將有機矽化合物分散至酒精和水的混合溶液中。加入若檢（氨）使液滴轉化成氧化矽球體。控制試劑的淨度、濃度、攪拌速度以產生大小均等的氧化矽球體。

(2) 沈澱

氧化矽球體陳定、自動緊密排列。需時一年多。

(4)    壓實和膠結---至為關鍵

靜壓壓實法： 以液體覆蓋氧化矽球體。各方向施力需相同。可添加膠體氧化矽或將氧化矽燒結以使球體膠結。

六、陶瓷

將材料以稍低於其熔點的溫度燒結後壓實成韌性材料。實為「仿製品」而非合成品。

(1) 「合成」綠松石：採兩種化學物原料

a. 仿天然綠松石中的褐色脈紋

b. 仿純綠松石

鑑別特徵：50被放大鏡下可見白色基調中的規則藍色顆粒

(2) 「合成」青金岩

分兩類：

a. 含黃鐵礦b.不含黃鐵礦

若含黃鐵礦顆粒較天然青金岩所含為細且規則，分佈也較均勻。

沒有方解石的白斑。

放大鏡下以反射光觀察表面，可見許多細小、規則的深色紫斑。

(3) 「合成」珊瑚

壓碎的方解石再造而成

鑑定特徵：

1.      條痕法：「合成」珊瑚帶紅褐色條痕、天然珊瑚帶白色條痕

2.      構造上的差別：「合成」珊瑚無天然珊瑚的木頭狀構造。

七、拼合石

意指：

1. 兩種或以上的天然或人造材料結合在一起，給人以單顆寶石的印象。

2. 將不同材料的粉末或碎屑、顆粒組合在一起，黏製成寶石仿製品。Ex. 綠松石、青金岩、珊瑚的仿品。

＊若該材料由其所要仿製的寶石材料組成，可稱為「再造」寶石。