來自寶石之王的挑戰(zhàn)——鉆石合成鉆石及其優(yōu)化處理的鑒定

1、來自寶石之王的挑戰(zhàn)鉆石、合成鉆石及其優(yōu)化處理的鑒定日期：2010-09-10來源：  作者：徐志字體：大 中 小 鉆石被譽為“寶石之王”，銷售量居世界各類寶石之首。然而，人們對鉆石的研究仍存在很多待解之謎，這也是向人類科技進步提出的挑戰(zhàn)。我國是世界上最大的合成金剛石生產(chǎn)國，但是國內(nèi)對金剛石和鉆石的研究文獻和報道極少。在這些大量產(chǎn)品中，會有多少產(chǎn)量能達到鉆石級別，或用于首飾，這一問題也引起一些國內(nèi)外機構的高度關注。不僅是合成鉆石，天然鉆石和合成鉆石的優(yōu)化處理同樣是一項艱巨的研究課題。今年以來，我們已收到不少合成鉆石和經(jīng)優(yōu)化處理的鉆石樣品，以下總結各種鉆石的一些鑒定特征，供工作參考。據(jù)鉆

2、石內(nèi)含微量的N或其他雜質(zhì)元素分為、型：a型：氮以2氮、3氮和4氮原子集合體存在，根據(jù)氮集合體的形式，a型鉆石還可進一步劃分為，aA型鉆石中氮以2氮原子集合體即A集合體存在。aB型鉆石中，氮以環(huán)繞一個空穴的4個氮原子集合體存在。A集合和B集合都會導致光譜紅外區(qū)的吸收，但不影響顏色。許多鉆石同時含A集合體和B集合體，文獻中稱為aAB型（紅外光譜特征1288、1175、1375cm-1吸收）。3氮原子集合體被稱為N3色心，其特點是在415nm處產(chǎn)生明顯的吸收線（N3吸收），在415nm和478nm之間產(chǎn)生較寬的峰（N2吸收），還有一些延伸到紫外區(qū)的寬帶。這些吸收是造成開普系列鉆石的原因。其顏色和黃色

3、飽和度取決于N2和N3吸收的強度，3氮原子集合體也是造成鉆石中出現(xiàn)藍色熒光的原因。特別需要注意的是，鉆石的吸收光譜并不是很易觀察到，即使使用分光光度計，有時也需要用液態(tài)氮將鉆石冷卻，尤其是經(jīng)熱處理和高溫高壓處理過的。圖1中由紫外可見光光譜儀檢測的天然鉆石的吸收譜。圖1:天然鉆石的吸收譜 b型：氮以孤立原子方式存在并取代碳晶體結構中的碳原子。鍵合中產(chǎn)生的多余電子導致對藍光的吸收，從而產(chǎn)生黃色。氮的濃度越高，黃色越深，甚至產(chǎn)生強金黃色。含孤氮原子的天然鉆石很少，只占所有天然鉆石的極小一部分。而高溫高壓合成鉆石中很常見。因為，大多數(shù)天然鉆石長時間深埋于地殼下，高壓和高溫的作用使氮原子在碳結

4、構中遷移并與其他氮原子鍵合，形成集合體，轉化成a型鉆石。據(jù)此，利用高溫高壓的處理方法也能將合成的b型鉆石中的氮原子發(fā)生遷移聚集，產(chǎn)生415nm吸收線。含較多氮原子的天然和合成b型鉆石一般呈深黃到褐黃色，在可見光譜藍區(qū)末端有吸收，在503nm和637nm處有小的吸收峰。但b型鉆石的主要鑒別特征是紅外區(qū)1130cm-1處的特征吸收帶和1344cm-1處的強吸收線，紫外光熒光發(fā)明顯的黃色熒光。a型：自然界中a型鉆石極少見，幾乎是純凈的，含可忽略不計的氮，不含任何空穴和晶格變形的a型鉆石是無色的，是極佳的熱導體。業(yè)內(nèi)知識b型：天然b型鉆石中，含硼有0.5ppm左右。硼以孤立原子形式隨機取代碳原子。每個

5、硼原子比碳原子少一個電子。這一缺陷導致對可見光較長波長即光譜紅區(qū)末端部分的能量吸收，使b型鉆石呈藍色。b型鉆石還是半導體，其他類型的鉆石都是電絕緣體，這一性質(zhì)是鑒定性的特征。b型鉆石在長波紫外光下呈惰性，但在短波紫外光下會發(fā)弱紅色熒光和紅色磷光。其他缺陷和雜質(zhì)：氫：研究發(fā)現(xiàn)自然存在不含硼和不導電的藍色鉆石，含氫作為雜質(zhì)存在，紅外光譜中顯示一系列尖峰（如3107cm-1 CH成鍵峰）?？昭ǎ涸阢@石失去了一個碳原子而未被其他原子替代處，碳結構中將出現(xiàn)空穴。這些空穴可因高速粒子將碳原子轟擊出其在晶體結構中的位置而產(chǎn)生。放射性物質(zhì)的輻射能有這種效應，并使鉆石呈綠色。當高速粒子撞擊碳原子時，這些粒子很少

6、能穿到晶體結構的深處，通常只達表面以下2微米左右。這種晶體損傷導致光譜紅區(qū)的吸收帶，其中在741nm處有明顯的線，即所謂的GR1吸收，需要用液氮冷卻才能檢測到（GRGeneral Radiation，連續(xù)輻射）。塑性變形：可導致許多鉆石呈現(xiàn)褐色，這種變形是晶體結構中的位錯所致。塑性變形形成自由鍵，自由鍵與光相互作用，可產(chǎn)生對可見光譜的藍端有較多的吸收，使鉆石呈現(xiàn)褐色。這種顏色不是由含氮或含任何其他的雜質(zhì)引起的。故不含痕量元素的鉆石，如a型鉆石，也可成為褐色。一些褐色鉆石可能在吸收光譜中并無明顯的吸收線，而另一些褐色鉆石中可看到503nm處吸收線和一些較寬的峰，包括在494nm處的一個峰。不要把

7、這個峰與下文中將提到的輻照處理鉆石中所見的495nm吸收線相混淆。紅外光譜特征是劃分鉆石類型有效的手段之一。 鉆石的類型劃分及特點類型微量元素特征顏色特征物理性質(zhì)存在狀況aN原子取代C原子，氮在晶格中以多原子形式存在，如N2、N3、Ns等無色黃色系列紅外吸收1175、1365、1370、1282cm1峰值絕大多數(shù)天然鉆石b氮原子取代碳原子，N在晶格中以孤氮形式存在無、黃、黃綠及褐色紅外吸收1130cm1峰值合成鉆石，天然少量(約0.1%)a可含小于0.001的N，碳原子常位錯造成結構缺陷無色、棕、粉紅色具有很好的導熱性很稀少b含有少量的B、Be、Al等藍，部分灰和其它色具有導電性，紅

8、外吸收2800cm1峰值天然稀少，少量合成鉆石 圖2：鉆石的紅外光譜圖（a）為，（b）為（據(jù)化學分析手冊，第三分冊） 圖3： 實測紅外光譜圖（紅色為型；綠色為b型合成鉆石；藍色為a型天然鉆石）    合成鉆石：HPHT合成鉆石大多為b型；CVD合成鉆石都是型的。大家都知道，使用DTC公司的DiamondSure可以快速地篩選天然鉆石，不能通過測試的鉆石需要使用DiamondView來測試。DiamondView利用鉆石在短波紫外光下所產(chǎn)生熒光的不同生長區(qū)域模式圖，可以有效地區(qū)分天然鉆石與合成鉆石。DTC發(fā)明的另一類儀器DiamondPlus，主

9、要用于區(qū)分改色鉆石。但就從科技發(fā)展本身的規(guī)律來看，所有的儀器并不可能成為終極武器。文獻資料顯示，還有更多的大型儀器和研究方法用于檢測合成鉆石及優(yōu)化處理方法，例如，液氮冷卻技術用于可見光吸收檢測、紅外光譜檢測、光致發(fā)光光譜、激光拉曼光譜、陰極發(fā)光等等。 圖4: DiamondView下天然鉆石熒光圖案（藍色熒光，非常復雜的生長區(qū)模式圖，反應生長環(huán)境的變化） 圖5:DiamondView下HPHT合成鉆石熒光圖案 圖6:HPHT合成黃色鉆石表面特征（可見特征的厥葉狀生長紋和金屬包體） 合成鉆石與天然鉆石在物理性質(zhì)上的差異見下表：特征天然鉆石合成鉆石內(nèi)部特征含

10、天然晶體包體；呈線、面狀分布的紋理含塵點狀、微針尖狀的鐵、鎳合金；交切狀紋理外部特征多見八面體，表面見三角紋，網(wǎng)狀紋多見八面體，立方體，十二面體聚形顏色無色黃色，褐色（Cape系列）黃色，金絲鳥黃，呈塊狀分布，濃淡明顯磁性無微弱強，可感覺到發(fā)光性LW無各種熒光；SW弱LW無；SW中強黃黃綠可見光譜415、471nm線無415nm線紅外光譜主峰1130cm1，伴弱峰1282、1365和1370cm1只有1130cm1主峰，無弱峰導電性b型導電導電鉆石的優(yōu)化處理及鑒定特征：輻照改色處理方法，使用放射源或高速離子束轟擊鉆石，產(chǎn)生輻照損傷，使鉆石呈色。1 回旋加速器處理用亞原子的粒子，如：質(zhì)子、氘核、

11、粒子，可將此類粒子放置回旋加速器中加速，鉆石置于加速了的粒子通道上而被輻射?？墒广@石的顏色呈綠色和暗綠色。如果處理時間過長，顏色暗得幾乎呈黑色。加速了的粒子是帶電的，不能深入鉆石深部，僅在表層。產(chǎn)生的顏色通過重新拋光可去掉，不拋光可永久致色。若加熱500900（真空），可使綠色轉變?yōu)辄S色、橙色或褐色。鉆石中產(chǎn)生缺陷，形成NVN、H3中心，可見光譜在503nm處有吸收峰。（496+503+595nm吸收峰，由N2產(chǎn)生）。2 電子處理用加速的電子束轟擊，能使鉆石產(chǎn)生藍到藍綠色，其穿透深度可達2mm，無放射性帶入鉆石，如將改色鉆石熱處理（400），可產(chǎn)生桔黃色、粉紅色紅、紫和褐色色調(diào)。形成原因，輻射

12、損傷。吸收光譜，637nm強峰，523、575、593nm弱峰。3 射線處理采用鈷60產(chǎn)生的射線，可使鉆石改色，獲得藍和藍綠色。但處理時間相對較長。著色均勻，持久。吸收光譜，產(chǎn)生741nm吸收峰。4 中子處理將鉆石置于核反應器中，用中子轟擊可呈綠色，如果長時間輻射可使鉆石變黑。中子不帶電荷，能直接穿透鉆石，同時由于它們具有與質(zhì)子相同的質(zhì)量，能與一個原子相撞，使結構受到相當大的損傷，可使整個鉆石變色，顏色具永久性。當在500900熱處理時產(chǎn)生：a黃色、橙色、粉紅色；a型褐色；b粉紅和紅紫色。形成原因，輻射損傷。吸收光譜，黃：496+503+595nm吸收峰。5 鐳處理用這種方法改色后的鉆石為綠色

13、，熱處理后的顏色變化大無規(guī)律性。表層有放射性殘余。形成原因，結構損傷。同時鉆石中的放射性要保持很長時間，對佩戴者有傷害，現(xiàn)在一般不采用。吸收光譜，741nm，無415.5nm。檢測方法：吸收光譜，需液氮冷卻：藍綠色有741nm吸收峰，黃色鉆石有496、503、595nm吸收峰，紅色鉆石有637、503、575nm吸收峰。近紅外光譜儀：在惰性氣體中加熱到1000，595nm譜線消失，黃色鉆石產(chǎn)生1936nm和2024nm。導電性：天然藍色鉆石導電，人工改色藍鉆不導電，但有加硼CVD合成鉆石，所以需結合DiamondView或陰極發(fā)光鑒定。表面特征：1、透過臺面觀察，可見亭部的顏色呈現(xiàn)傘狀效應；2、腰棱處顯示深色色環(huán)；3、鉆石表面出現(xiàn)扁平狀、圓盤狀褐色斑點。 高溫高壓處理方法：Nova鉆石，高溫高壓將a型天然褐色鉆石改為無色鉆石過程中，處理約數(shù)十分鐘后，顏色變?yōu)闇\綠色、黃綠色、綠黃色等，具有強黃綠色熒光。紅外光譜1282（A心）、1370（B心）和