Kim cương nhân tạo là mối quan tâm hàng đầu trong suốt thập kỷ qua, mặc dù nguồn cung cấp khoáng vất quý chưa bao giờ cạn và những viên kim cương đã chế tác thì ít khi được đưa đến các phòng giám định để yêu cầu phân cấp, chứng nhận. Ví dụ như ngay cả ở phòng giám định đá quý GIA cũng rất hiếm khi nhìn thấy những viên kim cương nhân tạo chất lượng cao (chiếm một tỷ lệ phần trăm rất nhỏ so với lượng kim cương giám định hằng ngày) và phần lớn là loại có màu. Kitawaki và nhóm nghiên cứu (2008) thuộc phòng giám định GAAJ-Zenhokyo, Tokyo, Nhật Bản đã từng đưa thông tin rằng trong vòng 4 tháng đã có hơn 100 viên kim cương nhân tạo màu vàng kích cỡ nhỏ (dưới 0,20 ct) trong tổng số đá nhận được từ khách hàng yêu cầu giám định, một con số đáng kể nhưng vẫn là một lượng nhỏ trong tổng số đá kích thước nhỏ được giám định.
Hình 10: Viên kim cương nhân tạo gần không màu (0,30 ct) là một điển hình cho sự cải thiện cả về màu sắc lẫn độ sạch của kim cương nhân tạo CVD thế hệ mới, được Apollo Diamond tung ra thị trường. Ảnh chụp bởi Jian Xin Liao.
Có sự thay đổi lớn trong những năm 1990 đến 2000 đó là kim cương nhân tạo trở nên phổ biến hơn. Trong những năm 1990, kim cương nhân tạo tăng trưởng bằng phương pháp nhiệt cao và áp cao trong dòng dung dịch sắt/nickel nóng chảy (phương pháp HPHT) là được quan tâm nhất. Ngày nay những viên kim cương nhân tạo được nuôi cấy vẫn phổ biến với các màu từ vàng đến cam phớt nâu (do thành phần nitrogen – N; theo Shigley và nhóm nghiên cứu, 2002) nhưng chúng cũng có thể tăng trưởng ban đầu chỉ cho ra màu xanh và được xử lý tạo màu hồng (xem bài của Shigley và nhóm nghiên cứu, 2004). Trong khi số lượng, chất lượng và kích cỡ của những viên kim cương nhân tạo này ngày một tăng trong hơn một thập niên qua – viên kim cương nhân tạo HPHT mài giác lớn nhất được đưa đến phòng giám định GIA nặng đến 4,09 ct (theo Wang và Moses, 2010) – nhưng những phương pháp nhận diện sự khác biệt giữa chúng với kim cương thiên nhiên thì về bản chất vẫn không có gì thay đổi.
Đầu thập niên này, các công ty giống như Gemesis Corp. ở Sarasota, Florida đã bắt đầu sản xuất và tung ra thị trường loại kim cương nhân tạo HPHT, chủ yếu có sắc màu vàng đến cam (xem lại bài viết của Shigley và nhóm nghiên cứu, 2002). Chatham Created Gems cũng bắt đầu bán những sản phẩm của họ với tên gọi là đá tăng trưởng bằng phương pháp HPHT với rất nhiều màu sắc (xem lại bài của Shigley và nhóm nghiên cứu, 2004), ví dụ như xanh, vàng và hồng. Mặc dù chúng cũng là những viên kim cương nhân tạo bằng phương pháp tăng trưởng CVD (lắng đọng hơi hóa học) bởi Apollo Diamond nhưng chúng là nguyên nhân lớn nhất làm xáo động thị trường.
Phương pháp tăng trưởng CVD đòi hỏi phải có sự phản ứng qua lại với các dung dịch ở thể khí – điển hình như một lượng nhỏ khí methane (CH4) trong khí hydrogen (H2) – trong một khoang chứa chất nền. Một phản ứng với một trong số những chất hợp thành này sẽ xảy ra ở nhiệt độ cao và áp suất thấp. Chất phản ứng, chất tạo thành và kiểu phản ứng được luân chuyển khắp nơi trong khoang chứa do quá trình khuếch tán và đối lưu. Trên bề mặt chất nền, nhiều kiểu phản ứng khác nhau (hấp phụ, khuếch tán, sự khử chất thấm hút) đã xảy ra giữa các thành phần hóa học, dẫn đến sự lắng đọng kim cương nhân tạo và cuối cùng là các lớp vật chất được tăng trưởng liên tục (theo Butler và Woodin, 1993, Spear và Dismukes, 1994). Khi một viên kim cương (tự nhiên hoặc nhân tạo) được sử dụng làm chất nền thì có thể tạo ra các đơn tinh thể kim cương nhân tạo chất lượng cao bằng phương pháp CVD này.
Hình 11: Viên đá dạng tròn, giác cúc của Apollo Diamond là một minh họa cho kim cương nhân tạo có màu hồng đậm đang được sản xuất bằng phương pháp CVD thế hệ mới. Ảnh chụp bởi Jian Xin Liao.
Kim cương nhân tạo tăng trưởng thành công lần đầu tiên là ở dạng màng mỏng, sử dụng kỹ thuật CVD và được tạo ra bởi W. G. Eversole năm 1952 (theo Kiffer, 1956). Có một điểm lưu ý thú vị là sự kiện này diễn ra trước khi General Electric thông cáo việc tăng trưởng thành công đơn tinh thể kim cương nhân tạo bằng phương pháp HPHT vào năm 1955 (theo Bundy, 1955; Angus báo cáo lại vào năm 1994). Tuy nhiên, những sản phẩm thế hệ đầu của phương pháp CVD thường chỉ ở dạng đa tinh thể (và do đó mà chất lượng không cao) và đơn tinh thể kim cương nhân tạo đầu tiên tăng trưởng bằng CVD thì cũng chỉ đạt được kích cỡ nhỏ (chỉ khoảng chứng vài micrometer). Mãi đến năm 1993, Badzian and Badzian công bố tăng trưởng được đơn tinh thể kim cương nhân tạo CVD với độ dày 1,2 mm; tiếp sau đó, nhiều nhóm nghiên cứu khác (như Doering and Linares, 1999; Linares and Doering, 1999) cũng công bố tăng trưởng thành công đơn tinh thể kim cương nhân tạo CVD có hoặc không có sự hấp thu chất xúc tác Bo (boron) với chiều dày khoảng 1 mm.
Tuy nhiên vào những năm đầu thập niên 2000, Wang và nhóm nghiên cứu (2003) đã báo cáo về đặc điểm ngọc học và quang phổ của 15 viên kim cương nhân tạo CVD từ công ty Apollo Diamond; trong đó chỉ có một vài viên được mài giác. Đặc điểm chung của các mẫu này là có sự hạn chế về độ dày (0,6 – 2,5 mm) và tất cả đều cho thấy có tông màu nâu với nhiều mức sắc độ màu. Các mẫu mài giác thường có kích thước nhỏ (<0,30 ct) và có nhiều mặt nứt cát khai và những bao thể nhỏ dạng đầu kim, màu đen. Theo Martineau và nhóm nghiên cứu (2004) mô tả những viên kim cương nhân tạo CVD của công ty De Beers. Hơn một trăm mẫu đá (được sản xuất chỉ với mục đích nghiên cứu khoa học) đã được sử dụng nghiên cứu cho báo cáo này, bao gồm những viên kim cương nhân tạo kiểu IIa, độ tinh khiết cao, không màu, nâu, hồng và các viên màu xanh kiểu IIb có sự hấp thu Bo. Các viên mài giác nặng ~0,3 đến 2,6 ct với cấp độ sạch từ IF đến I3. Kể từ sau khi công nghệ tăng trưởng kim cương nhân tạo CVD phát triển đáng kể và do đó những tinh thể chất lượng cao cũng được ghi nhận ngày càng nhiều (theo Yan và nhóm nghiên cứu, 2004; Tallaire và nhóm nghiên cứu, 2005; Wang và nhóm nghiên cứu, 2005; Miyatake và nhóm nghiên cứu, 2007).
Hình 12: Mặc dù màu giao thoa bậc cao cũng được nhìn thấy trong một số viên kim cương thiên nhiên, nhưng đây cũng là dấu hiệu có liên quan đến kim cương nhân tạo CVD, như trường hợp này là một minh họa điển hình. Ảnh chụp hiển vi bởi Jian Xin Liao; phóng đại 46 lần.
Wang và nhóm nghiên cứu (2007) đã phân tích các đặc điểm ngọc học và quang phổ trên 43 mẫu đá mới được sản xuất thời gian gần đây từ Apollo (hình 10), những viên đá này cho thấy có sự cải thiện đáng kể về kích cỡ, màu sắc và độ sạch. Ngoài những viên kim cương nhân tạo không màu đến gần không màu thì những viên có tông màu từ cam đến hồng cũng đã được sản xuất – chúng có thể so sánh với kim cương thiên nhiên cả về màu sắc lẫn độ sạch. Màu sắc của chúng được đặc trưng bởi dãy hấp thu tại ~520 nm, dãy hấp thu này chưa từng quan sát thấy trên kim cương thiên nhiên và chúng cũng rất khác biệt với dãy hấp thu 550 nm nhìn thấy trên kim cương hồng tự nhiên. Gần đây, Apollo Diamond quảng bá rộng rãi loại kim cương nhân tạo CVD, màu hồng (theo Wang và nhóm nghiên cứu, 2010; hình 11), loại này có liên quan đến sự tập trung cao của tâm sai hỏng khuyết nitrogen (NV). Chúng được phân cấp màu chủ yếu từ hồng đậm đến đậm rực rỡ và trọng lượng từ ~0,3 đến 0,7 ct. Một điểm quan trọng cần lưu ý rằng – mặc dù vẫn còn khá hiếm – những viên kim cương nhân tạo CVD mài giác đang được mua bán trên thị trường thì chỉ một số viên là có chứng nhận của các phòng giám định đá quý với những kiểm tra thông thường (theo Chadwick, 2008; Chadwick và Breeding, 2008; Wang, 2009; Kitawaki và nhóm nghiên cứu, 2010; Wang và Johnson, 2010). Kim cương nhân tạo CVD mài giác, gần không màu, trọng lượng trên 1 ct đã được giám định tại phòng giám định GIA trong thời gian gần đây (theo Wang và Moe, 2010). Kim cương nhân tạo CVD có thể được xác định thông qua việc xem xét thật kỹ các đặc điểm ngọc học và quang phổ. Khi không thể khẳng định bằng những quan sát ngọc học thông thường thì những đặc điểm như sọc nội mạnh với hình dạng lờ mờ không rõ ràng, màu giao thoa bậc cao (hình 12) và có sự hiện diện bao thể nhỏ dạng đầu kim là bằng chứng tốt để khẳng định chúng là kim cương nhân tạo CVD. Tuy nhiên những đặc điểm ngọc học này cũng tồn tại trong một vài viên kim cương thiên nhiên.
Những sản phẩm thế hệ đầu của Apollo có màu nâu với nhiều mức sắc độ khác nhau sẽ có phát quang yếu, màu cam, đây cũng được xem như là dấu hiệu hữu ích để nhận biết kim cương nhân tạo CVD (theo Roskin, 2003; Wang và nhóm nghiên cứu, 2003; Martineau và nhóm nghiên cứu, 2004). Tuy nhiên đặc điểm này không thấy có trong hầu hết các viên kim cương nhân tạo CVD thế hệ sau này. Những hình ảnh huỳnh quang và lân quang quan sát được dưới thiết bị DTC DiamondView vẫn rất hữu dụng trong việc xác định kim cương nhân tạo CVD. Đặc biệt đôi khi ta còn quan sát thấy được những đốm họa tiết bất thường màu xanh trên nền phát quang màu cam cũng như những dãy sọc tăng trưởng khá mảnh.
Hình 13: Dãy hấp thu tại 3123,5 cm-1 trong vùng giữa hồng ngoại (phải), bức xạ điện tử mạnh từ tâm NV, bức xạ kép ở 596/597 nm và bức xạ kép khác tại 736,6 và 736,9 nm, hiện nay là những đặc điểm hữu dụng trong việc nhận diện kim cương nhân tạo CVD.
Đặc điểm quang phổ là yếu tố rất quan trọng trong việc nhận diện kim cương nhân tạo CVD. Dãy hấp thu 3123,5 cm-1 trong vùng giữa hồng ngoại, bức xạ điện tử mạnh của tâm NV, bức xạ điện tử kép ở 596/597 nm và bức xạ kép [Si-V] – tại 736,6 và 736,9 nm cũng rất hữu ích trong việc các định kim cương nhân tạo tăng trưởng bằng phương pháp CVD này (hình 13). (Công Ty TNHH Giám Định Rồng Vàng – SJC lược dịch theo Nathan Renfro, John I. Koivula, Wuyi Wang và Gary Roskin trong phần Synthetic Gem Materials in the 2000s, quyển G&G, Winter 2010)