GIA發現覆合鑽石

氮是造成天然鑽石中晶體缺陷的最常見元素。它可以單個出現以替代鑽石中的碳元素,也能以集合體的形式出現在鑽石晶體結構中。與之相反,硼則是在天然鑽石中很難得一見的雜質元素。因此,在一顆鑽石中同時出現氮和硼兩種雜質的情況是極其罕見的。美國寶石學院(GIA)位於紐約的實驗室在最近就遇到了一顆這樣的鑽石。這是一顆重0.33克拉的彩藍鑽 (FancyBlue)

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這顆重0.33克拉的彩藍鑽被證實為一顆組合石,其包括一顆Ia型的天然鑽石和生長於其上的IIb型CVD合成鑽石薄層。

這顆鑽石的紅外光譜顯示了一個不尋常之處:它是Ia和IIb混合型鑽石。紅外光譜還顯示出由沿一定晶體方向(通常為{100}方向)分佈的微小面缺陷造成的位於1367 cm-1的吸收峰以及位於3107cm-1的氫吸收峰。

自然界中Ia和IIb混合型鑽石異常罕見,這之前在《寶石和寶石學》(Gems&Gemology)期刊中只有過一次報道(2009年春季刊,lab notes部分,第55-57頁)。相比於這篇報道中的鑽石,這次發現的彩藍鑽中氮集合體的濃度要高出很多。DiamondView檢測中發現鑽石正面顯示出黃綠色的熒光而鑽石背面則顯示出藍色的熒光。在用 DiamondView進行更細緻的檢測時我們發現在鑽石冠部最上方有一發出黃綠色熒光的薄層,該發光層與鑽石的其他部分之間存在一明顯的分界線,這條分界線位於冠部刻面上。對鑽石的檯面和該分界線部位進行的光致發光光譜檢測顯示出由SiV-(硅空位)缺陷造成的位於736.3和736.9 nm的發射峰。

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【左側的中紅外光譜顯示出由氮集合體及硼元素造成的晶體缺陷的吸收特徵,以及由沿一定晶體方向 (通常為{100}方向)分佈的微小面缺陷造成的位於1367 cm-1的吸收峰以及位於3107 cm-1的氫吸收峰。

右側的DiamondView圖像顯示出從鑽石冠部向下觀察時看到的黃綠色熒光(右上)以及從鑽石亭部向下進行觀察時看到的藍色熒光(右下)】

雖然SiV-(硅空位)缺陷也可能出現在天然鑽石中,但諸如明顯分界線,黃綠色熒光,以及磷光的出現都提示該鑽石最頂部的一層是 CVD(化學氣相沉積法)合成鑽石。而鑽石其他部分在DiamondView檢測中雖然發出熒光但無磷光現象,這一觀察結果與天然Ia型鑽石的特徵相符。鑽石冠部的刻面上存在著一條清晰可見的分界線和分界面。這一分界面也可以從鑽石亭部通過光纖光源發出的強反射光照射觀察到。

作者在分界面上還觀察到一個類似雲霧的包裹體以及一個靠近分界面或在分界面上的暗色針狀包體。此外,在鑽石的主體部分還觀察到了一個小的應力暈。從整個鑽石的亭部觀察到的應力圖案樣式也與天然 Ia 型鑽石特徵一致。

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【左:鑽石頂部可見一發出黃綠色熒光的薄層。

中:一條明顯的分界線及其揭示出的分界面(箭頭指向部分)可在顯微鏡下觀察到。在照片中間位置可見一暗色針狀包裹體位於分界面附近或在分界面上。

右:CVD合成鑽石薄層的厚度大概為80微米。】

CVD合成鑽石的品質與生長過程中籽晶的晶體方向和溫度密切相關。從上世紀60年代初期開始人們就在天然鑽石上生長 CVD 合成鑽石的薄膜(W.G.Eversole, U.S. patents 3030187 and 3030188, 1962)。甲烷和其他含碳的氣體被應用於這一生長過程,但當時是石墨和 CVD 合成鑽石薄膜同時沉積在天然鑽石上的。在1993年 CVD 合成鑽石薄膜成功地生長在IIa和Ia型天然鑽石上 (B.G. Yacobi et al., “Preferential incorporation of defects in monocrystalline diamond films,” Diamond and Related Materials, Vol. 2, No. 2-4, 1993, pp. 92–99)。

當時的實驗人員將甲烷和氫氣的混合氣體加壓到80託並置於一個微波等離子體輔助化學氣相沉積裝置中。裝置中的甲烷和氫氣發生化學反應從而產生了氫原子,這些氫原子形成一個由 sp3 鍵連接的表面以防止石墨化的出現。在這次研究的這顆鑽石樣品中沒有發現單個的替代氮原子(Ns0),這一結果提示我們在往底部天然鑽石上沉積合成鑽石的過程中所採用的溫度是較低的。這個推論也與 Yacobi (1993) 的研究結果相吻合,在該項研究中實驗人員在Ia型鑽石的 {100} 方向上生長CVD鑽石時採用的是880°C的溫度而在Ia型鑽石的 {111} 方向上生長時則採用 1200°C的溫度。

根據對這顆作為主體的天然鑽石晶體形態的觀察,我們很清楚地發現其頂部的 CVD 合成鑽石生長層是在接近或沿著天然鑽石的{100}方向生長的。這顆天然鑽石除了一個小的應力暈外沒有其他包裹體。CVD合成鑽石生長層的厚度大約為80微米。傅立葉轉換紅外光譜的研究是針對鑽石整體進行的,因此這個方法很難單獨分辨出頂部CVD合成鑽石生長薄層和下部天然鑽石主體各自的紅外吸收特徵的。然而,熒光和磷光的觀察則揭示出鑽石頂部的薄層中含有硼元素(加入硼的CVD合成鑽石部分)而底部鑽石則含有氮元素集合體。當人們從這顆鑽石的檯面向下進行觀察時,其頂部薄薄的一層 IIb 型CVD合成鑽石有效地使這顆鑽石整體上呈現彩藍色。

這顆帶有合成鑽石生長層的彩色鑽石GIA也是第一次遇到。這一經歷再次向我們證明對彩色鑽石的鑑定應該格外小心,要注意觀察異常特徵的出現,比如這次的平直分界線及與其相連的分界面的出現,還有DiamondView下熒光的分帶現象的出現都是一些異常的特徵。對這顆組合鑽石的檢測提醒我們類似的現象也可能在無色及近無色的鑽石中出現。

本文知識點資料收集轉載自:美國寶石研究院(GIA)

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