合成ダイヤモンド

最初に知られている（ただし当初は報告されていない）ダイヤモンド合成は、1953年2月16日にストックホルムでスウェーデンの大手電気機器製造会社であるASEA （Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget）によって達成された。ASEAは1942年から、QUINTUSというコードネームの極秘ダイヤモンド製造プロジェクトの一環として、5人の科学者とエンジニアのチームを雇用した。チームは、バルツァール・フォン・プラテンとアンダース・ケンペによって設計されたかさばる分割球体装置を使用した。^{[ 28 ] [ 29 ]}装置内の圧力は推定8.4 GPa（1,220,000 psi）に、温度は2,400 °C（4,350 °F）に1時間維持された。少数の小さなダイヤモンドが生成されたが、宝石品質やサイズではなかった。    

特許手続きに関する疑問や、他に本格的なダイヤモンド合成研究が世界中で行われていないという妥当な考えから、ASEAの理事会は広報活動や特許出願を行わないことを決定した。そのため、ASEAの結果の発表は、1955年2月15日のGEの記者会見の直後に行われた。^{[ 30 ]}

1941年、ゼネラル・エレクトリック（GE）、ノートン、カーボランダム社の間でダイヤモンド合成のさらなる開発に関する合意がなされた。彼らは炭素を3.5ギガパスカル（510,000 psi）の圧力下で数秒間、約3,000 °C（5,430 °F）まで加熱することに成功した。その後まもなく、第二次世界大戦によってプロジェクトは中断された。1951年にGEのスケネクタディ研究所で再開され、フランシス・P・バンディとH・M・ストロングによって高圧ダイヤモンドグループが結成された。トレーシー・ホールらが後にプロジェクトに参加した。^{[ 28 ]}   

スケネクタディの研究グループは、1946年にノーベル物理学賞を受賞したパーシー・ブリッジマンが設計したアンビルを改良した。バンディとストロングが最初に改良を加え、その後ホールがさらに改良を加えた。GEチームは、油圧プレス内の炭化タングステン製のアンビルを使用して、カトリナイト容器に入れた炭素質のサンプルを圧縮し、完成したグリットを容器からガスケットに押し出した。チームは一度ダイヤモンドの合成を記録したが、合成条件が不明確であったため実験を再現することはできず^{[ 31 ]}、後にそのダイヤモンドは種として使用された天然ダイヤモンドであることが判明した^{[ 32 ] 。}

ホールは1954年12月16日にダイヤモンドの商業的に成功した最初の合成を達成し、これは1955年2月15日に発表された。彼のブレークスルーは、硬化鋼製のトロイダル「ベルト」を弾性限界まで張ったプレスを試料に巻き付け、10 GPa（1,500,000 psi）を超える圧力と2,000 °C（3,630 °F）を超える温度を発生させたときに起こった。^{[ 33 ]}プレスでは、溶融ニッケル、コバルト、または鉄の中にグラファイトを溶解したパイロフィライト容器を使用した。これらの金属は「溶媒触媒」として機能し、炭素を溶解し、ダイヤモンドへの変換を加速した。彼が製造した最大のダイヤモンドは直径0.15 mm（0.0059インチ）で、ジュエリーには小さすぎて見た目も不完全だったが、工業用研磨剤には使用できた。ホールの同僚たちは彼の研究を再現することができ、その発見は主要な学術誌であるネイチャーに掲載された。^{[ 34 ] [ 35 ]}彼は再現可能で検証可能かつ十分に文書化されたプロセスで合成ダイヤモンドを成長させた最初の人物だった。彼は1955年にGEを退社し、3年後にGEの特許出願に関する米国商務省の秘密保持命令に違反しないように、4つのアンビルを備えた四面体プレスというダイヤモンド合成のための新しい装置を開発した。^{[ 32 ] [ 36 ]}      

宝石品質の合成ダイヤモンド結晶は、1970 年に GE によって初めて製造され、1971 年に報告されました。最初の成功例では、両端に薄いダイヤモンド片をシードとして配置したパイロフィライト管が使用されました。グラファイト原料は中央に配置され、金属溶媒 (ニッケル) はグラファイトとシードの間に配置されました。容器は加熱され、圧力は約5.5 GPa (800,000 psi)まで上昇しました。結晶はチューブの中央から両端に向かって流れながら成長し、プロセスの長さを長くすると、より大きな結晶が生成されます。当初、1 週間の成長プロセスで、約5 mm (0.20インチ) (1カラットまたは 0.2 g) の宝石品質の石が生成され、プロセス条件はできるだけ安定している必要がありました。グラファイト原料はすぐにダイヤモンドグリットに置き換えられました。これは、最終的な結晶の形状をより良く制御できるためです。^{[ 35 ] [ 37 ]}    

最初の宝石品質の石は、窒素の混入により常に黄色から茶色でした。内包物、特にニッケル由来の「板状」の内包物はよく見られました。アルミニウムまたはチタンを添加してプロセスからすべての窒素を除去すると、無色の「白色」の石が得られ、窒素を除去してホウ素を添加すると、青色の石が得られました。^{[ 38 ]}窒素を除去すると成長プロセスが遅くなり、結晶品質も低下したため、通常は窒素が存在する状態でプロセスが実行されました。

GE ストーンと天然ダイヤモンドは化学的には同一でしたが、物理的性質は同じではありませんでした。無色のストーンは短波長紫外線下で強い蛍光と燐光を発しましたが、長波長紫外線下では不活性でした。天然ダイヤモンドの中では、より希少な青色の宝石だけがこれらの性質を示します。天然ダイヤモンドとは異なり、すべての GE ストーンはX 線下で強い黄色の蛍光を示しました。^{[ 39 ]}デビアスダイヤモンド研究所は、研究目的で最大25 カラット (5.0 g)のストーンを育成しました。このサイズの高品質ダイヤモンドを育成するために、安定した HPHT 条件が 6 週間維持されました。経済的な理由から、ほとんどの合成ダイヤモンドの育成は、質量が1 ～ 1.5 カラット (200 ～ 300 mg)に達した時点で終了します。^{[ 40 ]}  

1950年代、ソビエト連邦と米国では、800 °C (1,470 °F)という比較的低温での炭化水素ガスの熱分解によるダイヤモンドの成長に関する研究が始まった。この低圧プロセスは化学気相成長法(CVD) として知られている。ウィリアム G. エバーソールは 1953 年にダイヤモンド基板上にダイヤモンドの気相成長を達成したと報告されているが、報告されたのは 1962 年になってからである。^{[ 41 ] [ 42 ]ダイヤモンド膜の堆積は、 1968}年にアンガスとその同僚によって、また 1970 年にデリャギンとフェドセーエフによって独立して再現された。^{[ 44 ] [ 45 ]エバー}ソールとアンガスは大型で高価な単結晶ダイヤモンドを基板として使用したが、デリャギンとフェドセーエフは非ダイヤモンド材料 (シリコンと金属)上にダイヤモンド膜を作ることに成功し、これが 1980 年代の安価なダイヤモンドコーティングに関する大規模な研究につながった。^{[ 46 ]}  

2013 年以降、未申告の合成メレダイヤモンド (通常、中央のダイヤモンドを囲むかバンドを飾るために使用される小さなラウンドダイヤモンド) ^{[ 47 ]}が、セットされたジュエリーや取引で販売されるダイヤモンドの小包の中に発見されるケースが増加しているという報告が出てきました。^{[ 48 ]}メレダイヤモンドは比較的安価であり、大量のメレダイヤモンドを効率的に識別するための普遍的な知識が比較的不足しているため^{[ 49 ]}、すべてのディーラーがメレダイヤモンドを検査して、それが天然由来か合成由来かを正しく識別しようと努力しているわけではありません。しかし、国際的な研究所がこの問題に正面から取り組み始めており、合成メレダイヤモンドの識別が大幅に改善されています。^{[ 50 ]}

最大の合成未加工ダイヤモンドは150.42カラットで、2021年11月16日にウクライナのキエフでMeylor Global LLP（英国）とAndrey Katrusha博士（ウクライナ）によって達成されました。完成したダイヤモンドのサイズは28.55 x 28.25 x 22.53 mmです。^{[ 51 ]}

数十年にわたり、合成ダイヤモンドは工業用の切削工具や研削工具に限定されていました。しかし、2010年代後半から2020年代初頭にかけて、高圧高温（HPHT）法と化学気相成長法（CVD）の品質が向上し、宝石品質の無色透明のダイヤモンドを安定して生産できるようになりました。

この技術的飛躍は、大きな商業的転換へとつながった。2021年、世界最大のジュエリーブランドであるパンドラは、コレクションにおける採掘ダイヤモンドの使用を完全に中止し、ラボグロウンダイヤモンドのみに移行するという歴史的な転換を発表した。この決定は、より手頃な価格の高級品と環境負荷の低減を求める消費者の需要によって推進され、合成ダイヤモンドはニッチな代替品から主流のジュエリーの定番へと根本的に変化した。^{[ 52 ]}

HPHT法では、合成ダイヤモンドの製造に必要な圧力と温度を供給するために、ベルトプレス、立方体プレス、スプリット球体（BARS）プレスの3つの主要なプレス設計が使用されています。ダイヤモンドの種はプレスの底部に配置されます。プレスの内部は1,400 ℃（2,550 °F）以上に加熱され、溶媒金属が溶融します。溶融金属は高純度炭素源を溶解し、それが小さなダイヤモンドの種に運ばれて析出し、大きな合成ダイヤモンドを形成します。^{[ 56 ]}  

トレーシー・ホールによるGEのオリジナル発明では、ベルトプレスが使用されており、上下のアンビルが円筒形の内側セルに圧力負荷を与えます。この内部圧力は、予圧された鋼帯のベルトによって半径方向に閉じ込められます。アンビルは、圧縮されたセルに電流を供給する電極としても機能します。ベルトプレスの変形では、鋼帯の代わりに油圧を使用して内部圧力を閉じ込めます。[ ^{56 ]ベルト}プレスは今日でも使用されていますが、オリジナル設計のものよりもはるかに大規模に製造されています。^{[ 57 ]}

2 つ目のタイプのプレス設計は立方体プレスです。立方体プレスは、立方体形状の体積のすべての面に同時に圧力を加える 6 つのアンビルを備えています。^{[ 58 ]}最初のマルチアンビルプレス設計は、正四面体形状の体積に 4 つのアンビルを収束させる正四面体プレスでした。^{[ 59 ]}圧力を加えることができる体積を増やすために、立方体プレスはその後すぐに作成されました。立方体プレスは通常、ベルトプレスよりも小さく、合成ダイヤモンドを作成するために必要な圧力と温度をより迅速に達成できます。ただし、立方体プレスは、より大きな体積に簡単にスケールアップすることはできません。加圧体積は、より大きなアンビルを使用することで増加できますが、同じ圧力を達成するためにアンビルに必要な力も増加します。別の方法として、正十二面体などのより高次のプラトン立体に収束させるためにより多くのアンビルを使用することで、加圧体積の表面積対体積比を減少させる方法があります。ただし、そのようなプレスは複雑で製造が困難です。^{[ 58 ]}

BARS装置は、ダイヤモンド製造プレスの中で最もコンパクトで効率的かつ経済的であるとされている。BARS装置の中心には、約2 cm³ (0.12 cu in)サイズのセラミック製の円筒形「合成カプセル^」がある。このセルは、パイロフィライトセラミックなどの圧力伝達材料の立方体の中に配置され、超硬合金（例えば、炭化タングステンまたはVK10超硬合金）製の内側アンビルによって加圧される。^{[ 60 ]}外側の八面体空洞は、8つの鋼製外側アンビルによって加圧される。取り付け後、アセンブリ全体は直径約1 m (3 ft 3 in)の円盤型バレルにロックされる。バレルにはオイルが満たされており、加熱すると加圧され、その油圧が中央のセルに伝達される。合成カプセルは同軸グラファイトヒーターによって加熱され、温度は熱電対で測定される。^{[ 61 ]}      

化学気相成長法は、炭化水素ガス混合物からダイヤモンドを成長させる方法です。1980年代初頭から、この方法は世界中で集中的な研究の対象となってきました。高品質のダイヤモンド結晶を大量生産するには、HPHTプロセスが産業用途により適していますが、CVD装置の柔軟性と簡便さにより、CVD成長は実験室研究で人気があります。CVDダイヤモンド成長の利点には、広い面積とさまざまな基板上にダイヤモンドを成長させる能力、および生成されるダイヤモンドの化学的不純物、ひいてはその特性を細かく制御できることが含まれます。HPHTとは異なり、CVDプロセスは高圧を必要とせず、成長は通常27 kPa (3.9 psi)未満の圧力で行われます。^{[ 53 ] [ 62 ]}  

CVD成長は、基板の準備、チャンバーへの様々な量のガスの供給、およびそれらのエネルギー付与から構成されます。基板の準備には、適切な材料とその結晶方位の選択、基板の洗浄（非ダイヤモンド基板を研磨するためにダイヤモンド粉末を用いることが多い）、および一連のテストランによる成長中の基板温度（約800 ℃（1,470 °F））の最適化が含まれます。さらに、均一で高品質なダイヤモンド成長を確保するためには、ガス混合物の組成と流量の最適化が極めて重要です。ガスには常に炭素源（通常はメタン）と水素が含まれ、その比率は通常1:99です。水素は非ダイヤモンド炭素を選択的にエッチングするため不可欠です。ガスは、マイクロ波、ホットフィラメント、アーク放電、溶接トーチ、レーザー、電子ビーム、またはその他の手段を用いて、成長チャンバー内で化学的に活性なラジカルにイオン化されます。  

成長中、チャンバー材料はプラズマによってエッチングされ、成長中のダイヤモンドに取り込まれる可能性があります。特に、CVDダイヤモンドは、成長チャンバーのシリカ窓またはシリコン基板に由来するシリコンによって汚染されることがよくあります。^{[ 63 ]}そのため、シリカ窓は避けるか、基板から離して配置されます。チャンバー内のホウ素含有種は、非常に微量であっても、純粋なダイヤモンドの成長には適しません。^{[ 53 ] [ 62 ] [ 64 ]}

ダイヤモンドナノ結晶（直径5 nm (2.0 × 10 ⁻⁷インチ)）は、金属チャンバー内で特定の炭素含有爆薬を爆発させることによって形成できます。これらは「爆発ナノダイヤモンド」と呼ばれます。爆発中、チャンバー内の圧力と温度は、爆薬の炭素をダイヤモンドに変換するのに十分な高さになります。チャンバーは水に浸されているため、爆発後に急速に冷却され、新しく生成されたダイヤモンドがより安定なグラファイトに変換されるのを抑制します。^{[ 65 ]}この技術の変形では、グラファイト粉末を充填した金属管を爆発チャンバー内に配置します。爆発によりグラファイトが加熱および圧縮され、ダイヤモンドに変換されるのに十分な程度になります。^{[ 66 ]}生成物は常にグラファイトやその他の非ダイヤモンド炭素形態を豊富に含んでおり、それらを溶解するには、高温硝酸で長時間煮沸（ 250 °C (482 °F)で約 1 日）する必要があります。^{[ 54 ]}回収されたナノダイヤモンド粉末は主に研磨用途に使用されます。主に中国、ロシア、ベラルーシで生産され、2000年代初頭までに大量に市場に出回るようになりました。^{[ 67 ]}    

マイクロメートルサイズのダイヤモンド結晶は、大気圧および室温で有機液体中のグラファイト懸濁液から超音波キャビテーションを使用して合成できます。ダイヤモンド収率は、初期グラファイト重量の約 10% です。この方法で製造されるダイヤモンドの推定コストは HPHT 法と同程度ですが、超音波合成では製品の結晶の完全性が著しく劣ります。この技術は比較的単純な装置と手順を必要とし、2 つの研究グループによって報告されていますが、2008 年時点では工業的に使用されていませんでした。初期グラファイト粉末の準備、超音波出力の選択、合成時間、溶媒など、多くのプロセスパラメータが最適化されておらず、超音波合成の効率の向上とコストの削減の可能性が残されています。^{[ 55 ] [ 68 ]}

2024年、科学者たちは、ガリウム、鉄、ニッケル、シリコンの液体金属合金（77.25/11.00/11.00/0.25の比率）に約1,025  ℃でメタンと水素ガスを注入し、1気圧の圧力でダイヤモンドを結晶化させる方法を発表した。この結晶化は「種なし」プロセスであり、従来の高圧高温法や化学気相成長法とは一線を画している。メタンと水素を注入すると、約15分後にダイヤモンドの核が形成され、最終的に約150分後に連続したダイヤモンド膜が形成される。^{[ 69 ] [ 70 ]}

2014年、ドイツのバイエルン地球科学研究所の地球科学者が、一般的な炭素を豊富に含む家庭食品、中でも最も有名なのはピーナッツバターから合成ダイヤモンドを生成できることを実証した。

地球の下部マントルの極限状態を再現するため、研究者たちはマルチアンビルプレスを用いて、ピーナッツバターを地球の大気圧の最大130万倍もの圧力にさらし、同時に2,200℃（4,000°F）以上に加熱した。この強烈な圧力によって、ピーナッツバターの分子構造から揮発性の水素原子が押し出され、残った純粋な炭素が分離されてダイヤモンド結晶格子へと変化する。

しかし、食品中の炭素に結合した豊富な水素が化学変化を著しく遅らせるため、わずか2ミリメートルの宝石を作るのにさえ数週間かかる。この実験は商業目的ではなく、地球内部に炭素を閉じ込める地質学的メカニズムをよりよく理解するために行われた。^{[ 71 ]}

合成ダイヤモンド産業の専門分野では、化学合成を利用して、人間や動物の遺体を「メモリアルダイヤモンド」に変換しています。人体のおよそ18%は炭素であるため、高温真空処理によって火葬された灰や毛髪サンプルから炭素を分離することができます。グラファイトに変換された材料は、HPHT（高圧高温）プレスに入れられ、認証済みのダイヤモンドが成長します。このプロセスにより、家族は亡くなった愛する人の炭素を宝石に変換することができます。^{[ 72 ]}

ダイヤモンドは、単一の連続した結晶である場合もあれば、多数の小さな結晶（多結晶）から構成されている場合もあります。大きくて透明な単結晶ダイヤモンドは、一般的に宝石として使用されます。多結晶ダイヤモンド（PCD）は、多数の小さな結晶粒から構成されており、強い光の吸収と散乱により肉眼で容易に見ることができます。宝石には適さず、鉱業や切削工具などの工業用途に使用されます。多結晶ダイヤモンドは、それを構成する結晶の平均サイズ（または結晶粒径）で表されることがよくあります。結晶粒径はナノメートルから数百マイクロメートルまでで、それぞれ「ナノ結晶」および「マイクロ結晶」ダイヤモンドと呼ばれます。^{[ 74 ]}

ダイヤモンドの硬度は、鉱物硬度のモース硬度スケールで10であり、このスケールで知られている最も硬い物質です。ダイヤモンドは、圧痕に対する耐性においても、知られている中で最も硬い天然物質です。^{[ 75 ]}合成ダイヤモンドの硬度は、その純度、結晶の完全性、および配向に依存します。欠陥のない純粋な結晶が[ 111 ]方向（立方晶ダイヤモンド格子の最長対角線に沿った方向）に配向している場合、硬度が高くなります。^{[ 76 ]} CVDダイヤモンド成長によって製造されたナノ結晶ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンドの30%から75%の硬度を持つことができ、特定の用途に合わせて硬度を制御できます。一部の合成単結晶ダイヤモンドとHPHTナノ結晶ダイヤモンド（ハイパーダイヤモンドを参照）は、知られているどの天然ダイヤモンドよりも硬いです。^{[ 75 ] [ 77 ] [ 78 ]}

すべてのダイヤモンドには、分析技術で検出可能な濃度で炭素以外の原子が含まれています。これらの原子は、インクルージョンと呼ばれる巨視的な相に凝集することがあります。不純物は一般的に避けられますが、ダイヤモンドの特定の特性を制御する方法として意図的に導入されることもあります。溶媒触媒を使用した合成ダイヤモンドの成長プロセスでは、一般的に、遷移金属原子（ニッケル、コバルト、鉄など）を含む不純物関連の複合中心が多数形成され、これが材料の電子特性に影響を与えます。^{[ 79 ] [ 80 ]}

例えば、純粋なダイヤモンドは電気絶縁体ですが、ホウ素を添加したダイヤモンドは電気伝導体（場合によっては超伝導体）となり、^{[ 81 ]}電子機器用途に使用できます。窒素不純物は格子転位（結晶構造内の欠陥）の移動を妨げ、格子に圧縮応力をかけるため、硬度と靭性が向上します。^{[ 82 ]}

CVDダイヤモンドの熱伝導率は、欠陥や粒界構造によって数十W/m ² Kから2000W/m ² K以上に及ぶ。 ^{[ 83 ]} CVDでダイヤモンドが成長するにつれて、膜厚とともに結晶粒が成長し、膜厚方向に沿って熱伝導率の勾配が生じる。^{[ 83 ]}

ほとんどの電気絶縁体とは異なり、純粋なダイヤモンドは結晶内の強い共有結合のため、優れた熱伝導体です。純粋なダイヤモンドの熱伝導率は、既知の固体の中で最も高いです^。12で濃縮された合成ダイヤモンドの単結晶C（99.9%）同位体的に純粋なダイヤモンドは、あらゆる物質の中で最も高い熱伝導率を持ち、室温で30 W/cm·K、銅の7.5倍です。天然ダイヤモンドの伝導率は¹³によって1.1%低下します。Cは自然に存在し、格子内の不均一性として作用する。 ^{[ 84 ]}

ダイヤモンドの熱伝導率は、宝石商や宝石鑑定士が電子式熱プローブを用いてダイヤモンドと模造品を区別する際に利用されます。これらのプローブは、細い銅製の先端に取り付けられた一対の電池式サーミスタで構成されています。一方のサーミスタは加熱装置として機能し、もう一方は銅製の先端の温度を測定します。検査対象の石がダイヤモンドであれば、先端の熱エネルギーを十分に速く伝導し、測定可能な温度低下を引き起こします。このテストには約2～3秒かかります。^{[ 85 ]}

合成ダイヤモンドの工業用途のほとんどは、その硬度と長年関連付けられてきました。この特性により、ダイヤモンドは工作機械や切削工具に理想的な材料となっています。既知の天然物質の中で最も硬いダイヤモンドは、他のダイヤモンドを含むあらゆる材料を研磨、切断、または摩耗させるために使用できます。この能力の一般的な工業用途には、ダイヤモンドチップのドリルビットや鋸、研磨剤としてのダイヤモンド粉末の使用などがあります。^{[ 86 ]}これらは、合成ダイヤモンドの工業用途の中で圧倒的に最大規模です。天然ダイヤモンドもこれらの目的で使用されますが、合成HPHTダイヤモンドの方が、主に機械的特性の再現性が優れているため、より人気があります。ダイヤモンドは、高速加工によって発生する高温で鉄に炭素が溶解するため、鉄合金を高速で加工するのには適していません。これにより、ダイヤモンド工具の摩耗が他の工具に比べて大幅に増加します。 ^{[ 87 ]}

切削工具におけるダイヤモンドの一般的な形態は、マイクロメートルサイズの粒子が金属マトリックス（通常はコバルト）中に分散され、工具に焼結されたものである。これは一般的に業界では多結晶ダイヤモンド（PCD）と呼ばれている。PCDチップ付き工具は、鉱業や切削用途で見られる。過去15年間、金属工具をCVDダイヤモンドでコーティングする研究が行われてきたが、その研究は有望ではあるものの、従来のPCD工具を大きく置き換えるには至っていない。^{[ 88 ]}

熱伝導率の高い材料のほとんどは、金属のように電気伝導性も持ちます。一方、純粋な合成ダイヤモンドは熱伝導率は高いものの、電気伝導率はごくわずかです。この特性の組み合わせは、高出力レーザーダイオード、レーザーアレイ、高出力トランジスタの放熱材としてダイヤモンドが使用される電子機器にとって非常に重要です。効率的な放熱はこれらの電子機器の寿命を延ばし、機器の交換コストが高いことから、効率的ではあるものの比較的高価なダイヤモンドヒートシンクの使用が正当化されます。^{[ 89 ]}さらに、この特性の組み合わせは、強力な局所的RF電界を生成するために使用されるマイクロコイルなどの高出力無線周波数（RF ）アプリケーションにも役立ちます。^{[ 90 ]}半導体技術では、合成ダイヤモンド放熱材はシリコンやその他の半導体デバイスの過熱を防ぎます。^{[ 91 ]}

ダイヤモンドは硬く、化学的に不活性で、熱伝導率が高く、熱膨張係数が低い。これらの特性により、ダイヤモンドは赤外線やマイクロ波の放射を透過するために使用される他の既存の窓材よりも優れている。そのため、合成ダイヤモンドは、高出力 CO ₂レーザー^{[ 92 ]}やジャイロトロンの出力窓としてセレン化亜鉛に取って代わり始めている。これらの合成多結晶ダイヤモンド窓は、直径が大きく (ジャイロトロンの場合は約 10 cm)、厚さが薄い (吸収を減らすため) ディスク状に成形されており、CVD 技術でのみ製造できる。^{[ 93 ] [ 94 ]}長さが約 10 mm までの単結晶スラブは、レーザー共振器内のヒートスプレッダ、回折光学素子、ラマンレーザーの光利得媒体など、光学のいくつかの分野でますます重要になっている。^{[ 95 ]} HPHT および CVD 合成技術の最近の進歩により、単結晶ダイヤモンドの純度と結晶構造の完全性が向上し、シンクロトロンなどの高出力放射源の回折格子および窓材としてシリコンに取って代わることが可能になった。^{[ 96 ] [ 97 ]} CVD および HPHT プロセスは、ダイヤモンドアンビルセルを使用して超高圧下で材料の電気的および磁気的特性を測定するためのツールとして、設計された光学的に透明なダイヤモンドアンビルを作成するためにも使用されている。^{[ 98 ]}  

合成ダイヤモンドは、ホウ素やリンなどの不純物をドープできるため、半導体としての可能性を秘めている。^{[ 99 ]}これらの元素は炭素よりも価電子が1つ多いか1つ少ないため、合成ダイヤモンドをp型またはn型半導体に変えることができる。合成ダイヤモンドにホウ素とリンを順次ドープしてap-n接合を作ると、235 nmの紫外線を発する発光ダイオード（LED ）が作られる。^{[ 100 ]}電子機器にとって合成ダイヤモンドのもう1つの有用な特性は、高いキャリア移動度であり、単結晶CVDダイヤモンド中の電子の場合、4500 cm ^{2 /(V·s)に達する。 [ 101 ]}高い移動度は高周波動作に有利であり、ダイヤモンドから作られた電界効果トランジスタは、すでに50 GHzを超える有望な高周波性能を示している。^{[ 102 ] [ 103 ]}ダイヤモンドの広いバンドギャップ（5.5 eV）は、優れた誘電特性をもたらす。ダイヤモンドの高い機械的安定性と相まって、これらの特性は発電所向けの試作型高出力スイッチに利用されている。^{[ 104 ]}   

合成ダイヤモンドトランジスタは実験室で製造されている。これらはシリコンデバイスよりもはるかに高い温度でも機能し、化学的損傷や放射線損傷にも耐性がある。ダイヤモンドトランジスタはまだ商用電子機器にうまく組み込まれていないが、非常に高出力の状況や過酷な非酸化性環境での使用が期待されている。^{[ 105 ] [ 106 ]}

合成ダイヤモンドは、すでに放射線検出デバイスとして使用されています。耐放射線性に優れ、 5.5 eV (室温) の広いバンドギャップを持っています。ダイヤモンドは、安定な自然酸化膜がないという点でも他のほとんどの半導体と区別されます。このため、表面 MOS デバイスの製造は困難ですが、表面層での吸収なしに紫外線が活性半導体に到達する可能性を生み出します。これらの特性により、スタンフォード線形加速器のBaBar検出器^{[ 107 ]}や BOLD (Blind to the Optical Light Detectors for VUV solar observations) ^{[ 108 ] [ 109 ]}などの用途で使用されています。最近では、ダイヤモンド VUV 検出器が欧州のLYRAプログラムで使用されました。

導電性CVDダイヤモンドは、多くの状況下で有用な電極です。^{[ 110 ]} CVD法で製造された多結晶ダイヤモンド膜の表面にDNAを共有結合させるための光化学的方法が開発されています。このようなDNA修飾膜は、DNAと相互作用してダイヤモンド膜の電気伝導率を変化させる様々な生体分子を検出するために使用できます。 ^{[ 111 ]}さらに、ダイヤモンドは通常は研究できない酸化還元反応を検出するために使用でき、場合によっては、水源中の酸化還元反応性有機汚染物質を分解することもできます。ダイヤモンドは機械的にも化学的にも安定しているため、従来の材料を破壊するような条件下でも電極として使用できます。電極として、合成ダイヤモンドは有機廃水の処理^{[ 112 ]}や強力な酸化剤の製造^{[ 113 ]に使用できます。}

2016 年頃、合成ダイヤモンド宝石 (例えば 1 カラットの石) の価格は「急激に」下落し始め、1 年間で約 30% 下落し、採掘されたダイヤモンド宝石の価格よりも明らかに低くなりました。^{[ 125 ]} 2022 年 4 月、CNN Business は、婚約指輪によく使われる合成 1 カラットのラウンドダイヤモンドは、同じ特徴を持つ天然ダイヤモンドよりも最大 73% 安く、合成ダイヤモンドまたはラボグロウンダイヤモンドを使用した婚約指輪の数は前年と比較して 63% 増加した一方、天然ダイヤモンドを使用した婚約指輪の販売数は同時期に 25% 減少したと報じました。^{[ 126 ]} 2025 年初頭までに、ラボグロウンダイヤモンドの価格は 2020 年以降 74% 下落し、価格は下落し続けると予想されました。この下落は、ラボでのダイヤモンドの成長速度が数週間から数時間に改善されたことが主な原因とされています。^{[ 127 ]}

ラボで作られた宝石品質のダイヤモンドは、化学的、物理的、光学的に天然のダイヤモンドと同一である可能性があります。採掘ダイヤモンド業界は、価格操作を含む合成ダイヤモンドの台頭から市場を守るために、法的、マーケティング、流通上の対策を講じてきました。^{[ 128 ] [ 129 ]}合成ダイヤモンドは、赤外線、紫外線、またはX線波長での分光法によって区別できます。デビアーズのDiamondViewテスターは、UV蛍光を使用して、HPHTまたはCVDダイヤモンド中の窒素、ニッケル、またはその他の金属の微量不純物を検出します。^{[ 130 ] [ 131 ]}他にも多くの試験装置が利用可能です。^{[ 132 ]}

ダイヤモンド鑑定研究所には、ラボグロウンダイヤモンドと天然ダイヤモンドを確実に区別できる機器が備えられています。米国宝石学会（GIA）、国際宝石学会（IGI）、国際宝石科学協会（GSI）など、いくつかの研究所では、鑑定するすべてのラボグロウンダイヤモンドのガードルに、レポート番号とラボグロウンダイヤモンドであることを示す刻印をレーザーで入れています。この刻印は肉眼では見えませんが、10倍の倍率で見ることができます。^{[ 133 ]}

2018 年 5 月、デビアーズは合成ダイヤモンドを使用した「ライトボックス」という新しいジュエリー ブランドを発表した。同社は世界最大のダイヤモンド採掘会社であり、以前は合成ダイヤモンドを公然と批判していたため、これは注目に値する。^{[ 134 ]} 2018 年 7 月、米国連邦取引委員会(FTC) はジュエリー ガイドの大幅な改訂を承認し、ダイヤモンドとダイヤモンド類似品の表現方法に関する新しい規則を課す変更を加えた。^{[ 135 ]}改訂されたガイドラインは、2016 年にデビアーズが提唱していたものとは大きく異なっていた。^{[ 134 ] [ 136 ] [ 137 ]}新しいガイドラインでは、「ダイヤモンド」の定義から「天然」という言葉が削除され、ラボグロウン ダイヤモンドが「ダイヤモンド」の定義の範囲内に含まれるようになった。改訂版ガイドラインにはさらに、「マーケターが『合成』という言葉を使って、競合他社のラボグロウンダイヤモンドが本物のダイヤモンドではないことを示唆する場合、…これは欺瞞的である」と記載されている。^{[ 138 ] [ 136 ]}新しいFTCガイドラインによると、GIAは2019年7月にラボグロウンダイヤモンドの認証プロセスとレポートから「合成」という言葉を削除した。^{[ 139 ]}

伝統的なダイヤモンド採掘は、アフリカ諸国やその他のダイヤモンド採掘国で人権侵害を引き起こしてきた。 ^{[ 140 ]} 2006年のハリウッド映画『ブラッド・ダイヤモンド』は、この問題を広く知らしめるのに役立った。消費者が倫理的に問題のない、より安価なダイヤモンドを求めるようになったため、合成ダイヤモンドの需要は増加している。^{[ 141 ]}

合成ダイヤモンドの塊から作られた最初のウェアラブルリングは、2018年にアップルの元チーフデザインオフィサーであるサー・ジョニー・アイブと工業デザイナーのマーク・ニューソンによってデザインされました。このプロジェクトでは、単結晶CVDダイヤモンドを成長させ、2,000のファセットを作成し、ウォータージェットを使用してコアをくり抜くことで、従来の金属バンドを回避しました。このリングはオークションにかけられ、エイズと闘う(RED)グローバルファンドのために461,250ドルを集めました。^{[ 142 ] [ 143 ] [ 144 ]}

2023年、LVMH傘下のパリの高級ジュエリーハウス、フレッド・ジュエリーは、8.88カラットのルースブルーダイヤモンドと4つの0.50カラットのアクセントストーンを組み合わせた「フレッド・オーデイシャス・ブルー」を発表しました。ヨーロッパの高級ジュエリーブランドがフラッグシップコレクションにラボグロウンストーンを取り入れたのはこれが初めてでした。CVD法で18ヶ月かけて色安定化開発パイプラインを経て作られたこのダイヤモンドは、GIAで「ファンシービビッド・グリーニッシュブルー」のグレーディングを受けました。^{[ 145 ] [ 146 ] [ 147 ]}

「インド祝典」は、当時75.33カラットで最大のファセットカットされたラボグロウンダイヤモンドでした。この結晶は、CVDプラズマリアクター内で約270日かけて190カラットの原石に成長し、その後さらに30日間かけてカットと研磨されました。この石は、インドの独立75周年を記念したものです。^{[ 148 ]}

2024年のインド祝典と同時に発表された「インフィニティリング」は、単一の連続したラボグロウンダイヤモンド結晶から完全に彫り出された30.69カラットのソリッドリングです。この作品は、98.88カラットの原石ダイヤモンドブロックから作られました。原石は、管理されたラボでの成長に約146日かかり、その後、完成したフリーフォームのモディファイドバンドをくり抜いて形作るために90日間の彫刻が必要でした。これは、これまでにカットされたマルチカラットのソリッドダイヤモンドの形状の中で最も構造的に複雑なものの1つです。^{[ 149 ]}