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鉆石、合成鉆石及其優化處理的鑒定
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發布時間:2014-07-01 22:13:19 閱讀:25204

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。我國是世界上最大的合成金剛石生產國,但是國內對金剛石和鉆石的研究文獻和報道極少。在這些大量產品中,會有多少產量能達到鉆石級別,或用于首飾,這一問題也引起一些國內外機構的高度關注。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優化處理的鉆石樣品,以下總結各種鉆石的一些鑒定特征,供工作參考。

據鉆石內含微量的N或其他雜質元素分為Ⅰ、Ⅱ型:

a型:

氮以2氮、3氮和4氮原子集合體存在,根據氮集合體的形式,Ⅰa型鉆石還可進一步劃分為,ⅠaA型鉆石中氮以2氮原子集合體即A集合體存在。ⅠaB型鉆石中,氮以環繞一個空穴的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ⅠaAB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處產生明顯的吸收線(N3吸收),在415nm478nm之間產生較寬的峰(N2吸收),還有一些延伸到紫外區的寬帶。這些吸收是造成開普系列鉆石的原因。其顏色和黃色飽和度取決于N2N3吸收的強度,3氮原子集合體也是造成鉆石中出現藍色熒光的原因。

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,有時也需要用液態氮將鉆石冷卻,尤其是經熱處理和高溫高壓處理過的。1GEM-3000珠寶檢測儀檢測的天然鉆石的紫外可見吸收譜。

 

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。鍵合中產生的多余電子導致對藍光的吸收,從而產生黃色。氮的濃度越高,黃色越深,甚至產生強金黃色。

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構中遷移并與其他氮原子鍵合,形成集合體,轉化成Ⅰa型鉆石。據此,利用高溫高壓的處理方法也能將合成的Ⅰb型鉆石中的氮原子發生遷移聚集,產生415nm吸收線。

含較多氮原子的天然和合成Ⅰb型鉆石一般呈深黃到褐黃色,在可見光譜藍區末端有吸收,在503nm637nm處有小的吸收峰。但Ⅰb型鉆石的主要鑒別特征是紅外區1130cm-1處的特征吸收帶和1344cm-1處的強吸收線,紫外光熒光發明顯的黃色熒光。

a型:

自然界中Ⅱa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Ⅱa型鉆石是無色的,是極佳的熱導體。

b型:

天然Ⅱb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末端部分的能量吸收,使Ⅱb型鉆石呈藍色。Ⅱb型鉆石還是半導體,其他類型的鉆石都是電絕緣體,這一性質是鑒定性的特征。Ⅱb型鉆石在長波紫外光下呈惰性,但在短波紫外光下會發弱紅色熒光和紅色磷光。

其他缺陷和雜質:

氫:研究發現自然存在不含硼和不導電的藍色鉆石,含氫作為雜質存在,紅外光譜中顯示一系列尖峰(如3107cm-1 CH成鍵峰)。

空穴:在鉆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生。放射性物質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,連續輻射)。

塑性變形:可導致許多鉆石呈現褐色,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,可產生對可見光譜的藍端有較多的吸收,使鉆石呈現褐色。這種顏色不是由含氮或含任何其他的雜質引起的。故不含痕量元素的鉆石,如Ⅱa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

存在狀況

a

N原子取代C原子,氮在晶格中以多原子形式存在,如N2、N3、Ns

無色—黃色系列

紅外吸收1175、1365、1370、1282cm1峰值

絕大多數天然鉆石

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(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

藍,部分灰和其它色

具有導電性,紅外吸收2800cm1峰值

天然稀少,少量合成鉆石

 

2:鉆石的紅外光譜圖(a)為Ⅰ,(b)為Ⅱ(據化學分析手冊,第三分冊)

 

3 實測紅外光譜圖(紅色為Ⅱ型;綠色為Ⅰb型合成鉆石;藍色為Ⅰa型天然鉆石)

 

    合成鉆石:HPHT合成鉆石大多為Ⅰb型;CVD合成鉆石都是Ⅱ型的。大家都知道,使用DTC公司的Diamond Sure可以快速地篩選天然鉆石,不能通過測試的鉆石需要使用Diamond View來測試。Diamond View利用鉆石在短波紫外光下所產生熒光的不同生長區域模式圖,可以有效地區分天然鉆石與合成鉆石。DTC發明的另一類儀器Diamond Plus,主要用于區分改色鉆石。但就從科技發展本身的規律來看,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、光致發光光譜、激光拉曼光譜、陰極發光等等。

 

4: Diamond View下天然鉆石熒光圖案(藍色熒光,非常復雜的生長區模式圖,反應生長環境的變化)

 

 

5:Diamond ViewHPHT合成鉆石熒光圖案

 

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上的差異見下表:

特征

天然鉆石

合成鉆石

內部特征

含天然晶體包體;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

發光性

LW無各種熒光;SW

LW無;SW中—強黃—黃綠

可見光譜

415、471nm

415nm

紅外光譜

主峰1130cm1,弱峰1282 cm1、1365 m11370cm1

只有1130cm1主峰,無弱峰

導電性

b型導電

導電

鉆石的優化處理及鑒定特征:

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:質子、氘核、α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),可使綠色轉變為黃色、橙色或褐色。

鉆石中產生缺陷,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產生)。

2  電子處理

用加速的電子束轟擊,能使鉆石產生藍到藍綠色,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),可產生桔黃色、粉紅色紅、紫和褐色色調。形成原因,輻射損傷。吸收光譜,637nm強峰,523、575、593nm弱峰。

3  γ射線處理

采用鈷60產生的γ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子相同的質量,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熱處理時產生:Ⅰa黃色、橙色、粉紅色;Ⅱa褐色;Ⅰb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,熱處理后的顏色變化大無規律性。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,現在一般不采用。吸收光譜,741nm,無415.5nm。

檢測方法:

吸收光譜: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,黃色鉆石產生1936nm2024nm。

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Diamond View或陰極發光鑒定。

表面特征:1、透過臺面觀察,可見頂部的顏色呈現傘狀效應;2、腰棱處顯示深色色環;3、鉆石表面出現扁平狀、圓盤狀褐色斑點。

    高溫高壓處理方法:

Nova鉆石,高溫高壓將Ⅰa型天然褐色鉆石改為無色鉆石過程中,處理約數十分鐘后,顏色變為淺綠色、黃綠色、綠黃色等,具有強黃綠色熒光。紅外光譜1282A心)、1370B心)和1130C心)的共存及近紅外H2986nm)的吸收是高溫高壓處理的標志。紫外區325nm的寬帶吸收揭示孤N的存在;拉曼N-V心(3767cm-1)的吸收是鉆石存在塑性變形有明確標志。以上特征可作為HPHT處理的鑒定特征之一。

GE POL鉆石:HPHT改Ⅱa型鉆石,使晶格結構發生重構、結構有序化,從而減弱褐色調,提高色級。處理過程中可導致N3心的形成和產生孤N原子。

合成鉆石也可經過輻照和高溫高壓處理獲得各種艷麗的顏色。

 
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