金剛石為什么出現(xiàn)不同的顏色

1、淺談金剛石顏色純凈的金剛石晶體是無色、透明的，但是一般來講，金剛石晶體大都呈現(xiàn)這樣或那樣的色澤。那么，引起金剛石晶體著色的原因是什么？或者說是與哪些因素有關(guān)？籠統(tǒng)地說，金剛石晶體的顏色變化與進入其中的雜質(zhì)種類及其含量，以及晶體生長過程中所形成的內(nèi)部缺陷有著密切關(guān)系。眾所周知，天然金剛石多呈淡黃色，人造金剛石在原材料二維接觸時合成的晶體成淺綠色，含雜質(zhì)多時呈灰綠色或黑灰色，而在三維接觸時生成的晶體多呈黃色，雜質(zhì)多時呈深黃色或灰黑色。而我們經(jīng)常見到的金剛石多為紅色、黃色、綠色、灰黑色等，為什么其呈現(xiàn)此多種顏色以及天然金剛石多呈淺黃色呢？對此，我將在本文做一簡述，在分析此問題前大家應(yīng)先了解幾個概念：

2、（1）色心：當(dāng)光波入射晶體中時，可使電子發(fā)生遷移并與缺陷發(fā)生作用，吸收某些波長的光波的能量而呈色。（2）位錯：指在晶體中的某些區(qū)域內(nèi)，一列或數(shù)列質(zhì)點發(fā)生有規(guī)律的錯亂排列現(xiàn)象。（）可見光：人眼可感知的光的波長范圍在內(nèi)的光。（4）取代反應(yīng)：有機化合物中分子中，一種原子或原子團被另外一種原子或原子團取代的反應(yīng)。在了解一些概念之后，我們來看一下金剛石中顏色產(chǎn)生的基本原因，天然金剛石中多含氮雜質(zhì)，而人造金剛石中多含金屬雜質(zhì)，當(dāng)然也有金屬氮或金屬碳的混合雜質(zhì)，正是由于這些雜質(zhì)的進入與晶體本身的缺陷的相互作用（在光的照射下）才使其呈現(xiàn)各種顏色。為什么天然與人造的金剛石中的雜質(zhì)不同，又造成顏色不同呢？這就要從

3、它們的成因、生長過程及影響因素說起。大家知道氮是進入金剛石（天然）中的主要雜質(zhì)，在空氣中氮占了，而天然金剛石的生成是在地殼內(nèi)部的高溫高壓下直接轉(zhuǎn)變而成，并不需要添加劑觸媒的參與，因此空氣中的氮為主要雜質(zhì)，而其它雜質(zhì)是次要的，因為雜質(zhì)的主要與次要都是相對的，同樣氮在金剛石中的含量由于其他因素進入的雜質(zhì)，一旦有某中雜質(zhì)相對氮占優(yōu)勢的話將會排擠氮的存在而占主要地位，則金剛石顯示的顏色將是主要雜質(zhì)因素顯示的。為什么氮能進入其中而不是其它氣體元素呢？金剛石主要由碳原子組成，碳原子序數(shù)為6，而晶格中的雜質(zhì)氮因原子序數(shù)是7，最外層有5個電子，比碳多1個。當(dāng)占據(jù)碳晶格位置時，其中的4個電子被共價鍵所約束，而多

4、余的1個電子受的約束較小，只需較小的能量就能脫離氮原子。當(dāng)該電子吸收可見光范圍內(nèi)的某波段光的能量時，即可擺脫氮原子而發(fā)生能帶躍遷，而使鉆石顯黃色調(diào)。因吸收的波長有差異，而出現(xiàn)不同的中心，使其顯示不同的顏色。大家知道在元素周期表中碳和氮是相鄰的，他們的原子半徑相差不大，在高溫高壓條件下原子極宜發(fā)生電離而形成離子基或離子集團而發(fā)生取代反應(yīng)，關(guān)于碳與氮的電子結(jié)構(gòu)以及他們?nèi)绾谓Y(jié)合詳看工程化學(xué)，下面先看看氮在金剛石中的存在形式以及顯示的色澤：（1）孤氮形式：即雜質(zhì)氮以單個孤立的原子出現(xiàn)代替了一個碳原子位置，與其它四個碳原子相連，可見光范圍內(nèi)具有、吸收峰，紅外區(qū)有吸收，吸收可見光中的部分藍綠光和紅光，使鉆

5、石呈現(xiàn)深淺不同的黃色。屬I型鉆石。（）雙原子氮形式（集合體）：即雜質(zhì)氮以原子對的形式出現(xiàn)，代替兩個碳原子的位置,為中心缺陷，可見光范圍內(nèi)具有吸收，紅外區(qū)有主吸收，次峰吸收，也使鉆石呈現(xiàn)黃色調(diào)，屬I型鉆石。（）三原子氮形式（中心）：即雜質(zhì)氮以三個原子集合體出現(xiàn)，代替三個碳原子的位置，并伴隨有空位出現(xiàn)。中心吸收藍紫色光，以為特征吸收，另外還有、吸收峰，這種選擇性吸收使鉆石呈黃色，紅外區(qū)無典型吸收。稱為系列，屬I型鉆石。（4集合體氮（中心）：即由個氮原子占據(jù)了碳原子位置，僅在紅外有吸收。、（）片晶氮（中心）：即氮沿某一方面分布，代替碳原子位置，僅在紅外有吸收。、中心，中心僅在紅外區(qū)有吸收，在可見光區(qū)

6、無吸收，因此不影響鉆石的顏色。而氮為什么能使金剛石顯示黃色呢？據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)天然金剛石中常發(fā)現(xiàn)中心存在，可產(chǎn)生的光的吸收，使金剛石呈現(xiàn)黃色，正是金剛石中存在的色心的反映，對此我們應(yīng)該先了解一下可見光的各色光的大致波長范圍：TOC o 1-5 h z紅：橙：黃：綠：藍：一一紫：以上我們了解了天然金剛石中關(guān)于氮的致色，下面我們了解一下關(guān)于人造金剛石的致色。大家知道人造金剛石是在靜態(tài)高溫、高壓條件下，在金屬觸媒參與的條件下合成的，雖然在原材料制作以及密封上都用了稀有氣體以排除氮含量，但由于多種原因氮并不能完全排除，同時由于金屬觸媒的參與，各種金屬以及金屬化合物雜質(zhì)在石墨向金剛石轉(zhuǎn)化成核及金剛石生長過

7、程中由于種種原因而進入其內(nèi)部，構(gòu)成了其內(nèi)部的各種雜質(zhì)缺陷，又加上晶體本身的缺陷（祥見結(jié)晶學(xué)及礦物學(xué)），當(dāng)然這里排除外部缺陷，正是其內(nèi)部的金屬雜質(zhì)和晶體本身的缺陷在一束光照射的條件下，使金屬雜質(zhì)電子發(fā)生遷移并與晶體自身缺陷發(fā)生作用吸收光波中不同波長的光而顯示對應(yīng)波長的光的顏色。而且進入的雜質(zhì)越多，其顏色越深，其熱穩(wěn)定性越差。我們在基本了解了顏色產(chǎn)生之后，我們再了解一下顏色分布標(biāo)準(zhǔn)圖：顏色不用表示，而用表示，這是因為由圖象處理軟件給出的是值。值是紅、綠、藍三個顏色的比值，從給出的圖中黃色區(qū)（由紅色和綠色混合而成）與綠色區(qū)的大小比值，可以定量判別金剛石顏色。在了解了金剛石中雜質(zhì)及顏色標(biāo)準(zhǔn)分布圖后，我

8、們最后了解下目前生產(chǎn)中的金剛石中的具體雜質(zhì)以及如何產(chǎn)生各種顏色。在我們了解之前我們應(yīng)先看下物質(zhì)的光譜吸收曲線，這是一個例子以便于大家對金剛石中雜質(zhì)對光吸收所顯示的顏色的理解：物質(zhì)對光的吸收于顏色的關(guān)系當(dāng)光通過透明的物質(zhì)時，具有某種能量的光子被吸收，二是具有另外能量的光子不被吸收。這是由于物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，從而選擇吸收不同能量的光子。單一波長的光稱為單色光；由不同波長的光組合而成的光稱為復(fù)合光。如果讓一束太陽光通過棱鏡，由于光的折射作用，便分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色的光，反之，這些顏色的光，按一定強度比例混合，便能形成白光。但是白光不一定需要這么多種顏色的光一起混合才能形成。我們也

9、可以把兩種適當(dāng)顏色的單色光按一定強度比例混合，而得到白光。我們便稱這兩種單色光為互補色光，例如，溶液因吸收白光中的黃色光而呈先蘭色，因為黃色和蘭色為互補色。當(dāng)一束白芷燈光通過溶液時，如果該溶液對可見光各波段的光都不吸收，即入射光全部透過，則溶液透明無色。如果溶液選擇性低吸收了可見區(qū)域中某些波段的光，而讓其余波段的光都透過了。溶液當(dāng)然呈現(xiàn)出透過光的顏色。然而在透過光中，只有與溶液選擇性吸收光色的互補色光才會引起人人們的視覺的特殊色感。其它部分，則仍然互補。只給人以白光的感覺，那么，溶液呈現(xiàn)出的顏色恰是它吸收的互補色。以上粗略地用物質(zhì)對各種顏色光的選擇性吸收來說明物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色，如果測量某種物質(zhì)對

10、不同波長單色光的吸收程度，以波長為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)作圖。可得到一條曲線（吸收光譜曲線）。不同濃度溶液的吸收光譜以上是溶液的光的吸收曲線，從圖可以看出在可見光范圍內(nèi)，溶液對波長為附近黃綠色光的吸收最強，而對紫色和紅色光的吸收很弱，光吸收程度最大處的波長稱為最大吸收波長，用入表示。溶液的入為，濃度不同時，光吸收曲線形狀相同。最大吸收波長不同。只是相應(yīng)的吸收光度不同。當(dāng)以某物質(zhì)最大吸收波長的光照射該物質(zhì)的透明溶液時，能夠建立吸光度與物質(zhì)濃度的定量關(guān)系。而金剛石的合成與其所用原材料有很大關(guān)系，原材料石墨與觸媒的接觸方式由原來的二維到的三維，其顏色也在發(fā)生不同的變化。當(dāng)二維接觸時所用觸媒主要元素為

11、鎳70錳25鈷5，所以進入其中的雜質(zhì)多為其三種元素或者其化合物，而此三種元素對光波的吸收波長大約在的綠光區(qū)，進入的越多越偏向綠色區(qū)越深，越少則趨向于黃色區(qū)，顯示的是氮雜質(zhì)致色，因為氮和其他雜質(zhì)的進入是一對反比關(guān)系；同樣當(dāng)三維接觸時所用觸媒主要元素為鐵，自然進入的多為鐵元素，而鐵對光波的吸收波長位于597577之的間綠，少是顯示顏色趨向淺黃，多時趨向深黃。大家知道了顏色是由晶體內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)缺陷引起的，那么如何來減少其缺陷呢？其自身缺陷我們無法掌握，但對其雜質(zhì)缺陷我們可以最大限度地去消除，減少其內(nèi)部雜質(zhì)缺陷可以從其影響內(nèi)部缺陷的因素找起，在目前的條件下（拋開其他因素）只能從工藝上去解決，而影響工藝的因素就是溫度、壓力、時間，當(dāng)然這只是影響其顏色的間接因素，但是控制其雜質(zhì)缺陷的直接措施，我們先看下它們與金剛石內(nèi)部雜質(zhì)缺陷之間的關(guān)系：由圖知溫度與雜質(zhì)有一個最佳范圍，低于雜質(zhì)多、顏色深、透度差；當(dāng)高于時金剛石炭。當(dāng)然時間也是如此。由圖知，壓力與雜質(zhì)是正比關(guān)系，壓力越高，雜