高溫高壓法合成鉆石的寶石學特征

朱紅偉, 劉海彬,2 ,程佑法,2 ,李建軍,2 ,王篤福

(1.國家黃金鉆石制品質量監督檢驗中心，濟南 250014;2.山東省計量科學研究院，濟南 250014;3.濟南中烏新材料有限公司，濟南 250014)

18世紀后期人們證實了鉆石和石墨都是由C元素組成的，后來就開始了合成鉆石的研究工作，直到20世紀中葉才在實驗室合成了鉆石，但主要以工業級鉆石為主。隨著合成金剛石技術的不斷改進和完善，20世紀90年代后陸續地合成了具有商業價值的合成鉆石。進入21世紀，合成鉆石取得了重大進步，隨著合成鉆石的顏色和凈度不斷提高，越來越多的合成鉆石進入了珠寶首飾行業。我國的合成鉆石技術也是突飛猛進，目前濟南某公司利用高溫高壓法已可以合成出十幾克拉重的高品質鉆石。這給珠寶鑒定行業帶來了巨大挑戰。

本文主要針對濟南某公司生長的高溫高壓法合成的無色、黃色、藍色鉆石進行檢測研究，目前該工廠合成鉆石的質量可達十幾克拉以上，作為研究對象經測試后可以總結其合成鉆石的寶石學特征。

1 樣品來源

測試樣品由濟南中烏新材料有限公司提供。樣品的質量在0.25～0.65克拉之間。

2 測試方法和分析

2.1 外觀特征

實驗共測試6個樣品，1、2號樣品顏色級別為F、G，圓鉆型。3、4號樣品藍色，圓鉆型。5號黃色，圓鉆型。6號黃色，八面體與立方體聚形原石。如圖1所示。

圖1 測試樣品Fig.1 Samples to be tested

2.2 放大檢查

在寶石顯微鏡下觀察，發現大多數合成鉆石內部具有典型的包裹體，主要呈短柱狀、棒狀、片狀，細小的微粒狀，散布于整個鉆石中；在反射光下這些包裹體均呈現金屬光澤，透射光下不透明，其應為HTHP合成鉆石中的鐵或鐵鎳合金觸媒金屬包裹體，但個別鉆石內部較為潔凈。樣品1內部可見短柱狀鐵鎳合金包體(圖2a)，凈度級別為SI1。樣品2內部可見點狀鐵鎳合金包體(圖2b)，凈度級別為VS1。樣品3內部可見片狀、柱狀鐵鎳合金包體(圖2c)，凈度級別為SI2。樣品4內部可見平行排列的針狀、片狀鐵鎳合金包體(圖2d)，凈度級別為SI2。樣品5內部可見點狀鐵鎳合金包體(圖2e)，凈度級別為VS1。樣品6內部可見短柱狀鐵鎳合金包體(圖2f)，凈度可達VS。

2.3 紅外光譜分析

實驗采用德國BUKER TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀，利用漫反射附件，測試條件：室溫25℃，相對濕度35%，分辨率為4 cm-1，掃描次數為64次，測量范圍為400～4 000 cm-1。

對合成鉆石樣品進行紅外吸收光譜測試，結果顯示，樣品1、2號為IIa型鉆石，在1400 cm-1以下無明顯吸收，在2800 cm-1處有明顯的吸收峰，此處吸收由硼所致(圖3a)。樣品3、4號為IIb型鉆石，特征吸收為1290 cm-1，硼吸收所致，從吸收的強度看，此樣品的硼含量應當比較高，也導致了在2800處的吸收不易觀察(圖3b)。硼是鉆石呈現藍色的主要原因。樣品5、6號均顯示1 131 cm-1處的尖銳吸收峰，該吸收峰為氮原子在紅外光譜中的特征吸收線，在1282 cm-1處可見有肩峰，說明樣品中在降溫過程中孤氮有轉化為雙原子氮的過程。說明樣品應屬于Ib、IaA型鉆石(圖3c)[1-5]。

2.4 X射線熒光光譜儀分析

X射線熒光光譜(EDXRF)分析采用Thermo NORAN Quan X EC型能譜儀測試。測試條件：儀器采用銠靶, 測試時設定電壓為20 kV , 電流為儀器自動控制，在真空狀態下測試，選擇薄鉛濾片進行測試。元素定性借助儀器軟件自動尋峰功能和手動尋峰功能相結合的方式進行標注。測試樣品1時電壓為20keV,電流自動調整為0.92mA(圖4a)。測試樣品2時電壓為20keV,電流自動調整為0.70mA(圖4b)。測試樣品3時電壓為20keV,電流自動調整為0.58mA(圖4c)。測試樣品4時電壓為20keV,電流自動調整為0.56mA(圖4d)。測試樣品5時電壓為20keV,電流自動調整為0.66mA(圖4e)。測試樣品6時電壓為20keV,電流自動調整為0.82mA(圖4f)。通過檢測，發現合成鉆石樣品中明顯含有鐵，1、2、3、4號無色和藍色樣品均檢測出鎳，5、6號樣品檢測出鎳，6號樣品檢測出錳。這與以往的高溫高壓合成鉆石的報道有所不同[5-8]，主要觸媒并不是鐵鎳合金，無色和藍色合成鉆石的觸媒主要是鐵合金，黃色合成鉆石的觸媒主要是鐵鎳合金。至于6號樣品原石中的錳含量高的原因還需要進一步測試。

圖2 合成鉆石樣品中的典型包裹體Fig.2 Typical inclusions of synthetic diamond samplesa.短柱狀金屬包體；b.點狀金屬包體;c.片狀和柱狀金屬包體;d.平行針狀和片狀金屬包體；e.點狀金屬包體；f.短柱狀金屬包體

圖3 HTHP合成鉆石的紅外光譜Fig.3 Infrared spectra of HTHP synthetic diamondsa.1、2號樣品的紅外吸收光譜；b.3、4號樣品的紅外吸收光譜；c.5、6號樣品的紅外吸收光譜

圖4 合成鉆石樣品的X射線熒光光譜Fig.4 X-ray fluorescence spectra of HPHT synthetic diamonds

2.5 紫外-可見光分光光譜儀分析

實驗采用PE公司生產的Lambda 950型紫外-可見光分光光譜儀，測試條件：測試范圍為300～800 nm，掃描間隔為0.5 nm，室溫20℃，相對濕度45%。對高溫高壓合成鉆石進行測試，結果顯示合成鉆石均未出現天然鉆石中存在415 nm處的吸收線[9-10]。其中5號樣品的測試圖譜顯示，樣品由紅區到紫區的吸收明顯增強，使其呈現出黃色(圖5)。

2.6 發光特征

采用廣州標旗電子科技有限公司生產的GLIS-3000珠寶發光成像分析儀對合成鉆石樣品進行紫外熒光特征分析。結果顯示，在紫外線下樣品1、2顯示強的藍白色熒光，樣品3、4顯示中等的藍白色熒光，樣品5、6顯示弱的黃綠色熒光(圖6a)。樣品1、2、3、4顯示強的磷光現象，且發光時間長達一分多鐘(圖6b)。

圖5 HTHP合成鉆石(5)的UV-VIS光譜Fig.5 UV-VIS spectra of HPHT synthetic diamond(5)

圖6 高溫高壓合成鉆石在紫外線下的熒光Fig.6 Fluorescence spectra of HTHP synthetic diamondsa.合成鉆石的熒光；b.合成鉆石的磷光

2.8 生長結構特征

在Diamond ViewTM下觀察樣品，高溫高壓合成鉆石均具有不同強度的熒光和磷光現象，樣品均可見典型的“黑十字”現象，并具有明顯的四邊形生長環帶。樣品1、2、3、4均發藍白色熒光，并有明顯的磷光現象(圖7)。樣品5、6具有黃綠色熒光，并且在“黑十字”位置還具有強的磷光現象(圖7)。這與之前學者測試的結果相一致[10-14]。

圖7 HTHP合成鉆石在Diamond View TM下的發光現象Fig.7 Fluorescence of HPHT synthetic diamonds by Microscope; Diamond View TMa、b、c、d、e、g樣品在Diamond View TM下的熒光特征；f.樣品5在Diamond View TM下的磷光現象

3 結論

(1)該公司合成鉆石主要為無色、黃色、藍色。放大觀察其內部含有典型的金屬包裹體，在反射光下顯示金屬光澤，透射光下不透明。

(2)紅外光譜測試結果顯示，無色合成鉆石在1400 cm-1以下無明顯吸收,在2800 cm-1處有尖銳吸收峰，為IIa型鉆石；黃色合成鉆石均有由氮原子吸收所致的1 131 cm-1處的吸收峰，在1282 cm-1處有肩峰，為Ib、IaA型鉆石；藍色合成鉆石有硼吸收所致1290 cm-1處的吸收峰，為IIb型鉆石。

(3)X熒光能譜儀測試合成無色、藍色鉆石中明顯含有鐵，未檢測到鎳。合成黃色鉆石檢測到鐵和鎳,個別樣品含有錳。

(4)Diamond ViewTM測試HTHP合成鉆石均可見“黑十字”現象，并具有明顯的四邊形生長環帶。無色和藍色合成鉆石具有藍白色熒光，并具有磷光現象且發光時間長達60多秒；黃色合成鉆石具有黃綠色熒光，無磷光現象。

(5)紫外-可見光分光光度計測試HTHP合成鉆石均不具有415nm吸收。

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