一種藍白色磷光鉆石的寶石學和光譜學特征研究

石魯川,朱紅偉

(1.濟寧市質量計量檢驗檢測研究院，山東 濟寧 272000；2.山東省計量科學研究院(國家黃金鉆石制品質量檢驗檢測中心)，山東 濟南 250014)

1 概述

在20世紀50年代一種不同于天然鉆石高溫高壓條件的合成鉆石的方法被發現，即化學氣相沉積法(CVD)合成鉆石。原理是將高純度的碳在真空環境下，用高壓電離使其活化，生長基板是經去應力處理的鉆石種晶基板，碳原子在這種低壓高溫(壓力小于1 Pa，溫度800℃～1000℃)的環境下結晶成鉆石。甲烷在高能微波的激發下，氫鍵斷裂并與空氣中的氫氣相結合，同時兩個相鄰甲烷的碳原子成鍵，過程中形成-CH3和-CH2-中間態，隨著氫原子逐漸去除，形成了鉆石的分子結構。

近年來，CVD合成鉆石技術發展迅猛，國內外具有大顆粒CVD合成鉆石出現，與高溫高壓法合成鉆石相比，CVD合成鉆石的條件可控性能更好，應用也更為廣泛。宋中華等[1]闡述了高溫高壓合成黃色鉆石的特征，認為熒光圖案是鑒定的重要特征之一。朱文芳等[2]認為光致發光光譜737 nm熒光峰和熒光圖案特征生長結構是鑒定CVD合成鉆石的重要特征。楊池玉等[3]認為無色高溫高壓合成鉆石具有強磷光現象是其鑒定和篩查特征之一。吳旭旭等[4]認為737 nm熒光峰依然是鑒定國內外CVD合成鉆石的重要依據。通過查詢文獻可知，強磷光通常作為篩查高溫高壓法合成鉆石的重要依據，但筆者所遇到這種具有強磷光鉆石并非為高溫高壓法合成鉆石，而是CVD法合成鉆石。在此，筆者提醒廣大質檢機構和同行，不能依據鉆石的磷光現象來判斷鉆石的成因。

2 基本寶石學特征

2.1 測試儀器

采用寶石顯微鏡、鉆石比色石、10×放大鏡、正交偏光顯微鏡、游標卡尺等儀器進行常規寶石學特征測試。

寶石顯微鏡分析采用南京寶光檢測技術有限公司生產的GVMI60型顯微攝像寶石顯微鏡，具有40倍連續變焦功能，并搭載Canon佳能EOS600D照相機。在載物臺及目鏡處放置正交偏光片，組合成正交偏光顯微鏡。

2.2 測試結果

測試樣品為一粒無色鉆石，金剛光澤，切工級別極好，質量0.0600 g，約0.30克拉，尺寸4.29×4.33×2.58 mm，顏色級別為I色，凈度級別為SI1(圖1)。經寶石顯微鏡觀察，在風箏面處可見片狀云霧狀包裹體，在正交偏光顯微鏡下顯示異常干涉色，樣品具有一級灰色干涉色，局部刻面呈現黑白相間的弧形條帶狀結構(圖2)。正交偏光顯微鏡下的結構特征應引起警示。

圖1 測試樣品

圖2 放大觀察(20×)

3 光譜學特征分析

3.1 紅外吸收光譜

3.1.1 儀器及測試條件

紅外光譜分析采用德國BRUKER TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀，利用漫反射附件，采用反射法測試。測試條件：室溫25℃，相對濕度35%，分辨率為8 cm-1，掃描次數為64次，測量范圍為400 cm-1～6 000 cm-1。測試結果轉化為吸光度譜圖。

3.1.2 測試結果

樣品的傅里葉變換紅外吸收光譜顯示在1400 cm-1以下無明顯吸收峰(圖3)，1970 cm-1～2500 cm-1處的吸收峰是由C-C晶格振動所引起的吸收[5]，確認樣品為Ⅱa型鉆石。

圖3 樣品的紅外吸收光譜

3.2 紫外可見光譜分析

3.2.1 儀器及測試條件

采用廣州標旗光電科技發展股份有限公司的GEM-3000(III)型紫外-可見光光譜儀，測試條件：積分時間50 s，平均次數30，平滑度2，測試范圍為225～1000 nm，室溫27℃，相對濕度45%。

3.2.2 測試結果

樣品的常溫紫外可見光譜顯示270 nm、230 nm吸收峰，未檢測到415 nm吸收峰，通過對比不同成因的鉆石的紫外可見光譜特征，270 nm附近吸收峰常出現在合成鉆石中，但也有報道在天然鉆石中出現過270 nm吸收峰。因此紫外可見光譜特征難以確定鉆石成因問題，需要進一步測試(圖4)。

圖4 樣品的紫外可見光譜

3.3 光致發光光譜分析

3.3.1 測試儀器

采用廣州標旗光電科技公司PL-3000型光致發光光譜儀，測試條件：積分時間50 s，平均次數30，平滑度2，波長范圍400～1000 nm，配備405 nm激發光源。

3.3.2 測試結果

在常溫條件下測試樣品的光致發光圖譜，樣品具有428 nm尖銳熒光峰，同時具有737 nm熒光峰(圖5)。737 nm發光峰是由Si雜質和空穴結合形成的[Si-V]-缺陷所致。這是由于在CVD合成鉆石的反應倉里有含有硅的組件，經溶蝕后將硅帶入到CVD合成鉆石中。該缺陷是CVD合成鉆石的重要鑒定特征之一。通過對比分析，光致發光光譜特征與CVD合成鉆石的光譜特征相符合[6]。

圖5 樣品的光致發光圖譜

3.4 發光成像分析

3.4.1 測試儀器

采用戴比爾斯(DeBeers)公司開發的Diamond-viewTM(鉆石熒光成像儀)，主要用于研究鉆石的紫外熒光圖像，其原理是利用高清晰度攝像機(CCD元件)記錄波長230 nm的強短波紫外光對鉆石激發的熒光影像，以觀察鉆石的生長結構。

3.4.2 測試結果

樣品具有綠黃色熒光和藍白色磷光現象，觀察熒光圖案發現樣品具有典型的層狀生長結構(圖6)，此結構特征符合CVD法合成鉆石的機理[7]。說明樣品為CVD法合成鉆石。但此樣品具有藍白色磷光現象比較少見，通常認為藍白色磷光是高溫高壓合成鉆石的重要鑒定特征之一，但此樣品不屬于此類，應引起高度關注。

圖6 Diamond-viewTM下熒光和磷光

4 討論

Christopher P. Smith等[8]研究表明經高溫高壓處理的IIa型鉆石在正交偏光器之間觀察時，顯示出稍強的一階干涉色(藍色)。但未經高溫高壓處理之前，在正交偏振器之間觀察時，顯示出主要的微弱干涉色(灰色)。本樣品所見到的干涉色為灰色，并呈現弧形特征，因此從正交偏振器之間觀察干涉色的情況看，該鉆石趨向于CVD合成鉆石。

Christopher M. welbourn等[7]描述戴比爾斯DTC研究中心開發的兩種儀器(Diamond Sure和Diamond View TM)來區分人造鉆石和天然鉆石。經GIA實驗室使用Diamond Sure測試，大約小于5%的天然鉆石會顯示進一步測試，所有的合成鉆石均顯示進一步測試。那么利用Diamond View TM可以有效區分天然鉆石和合成鉆石。由于合成鉆石和天然鉆石在生長結構上有著明顯差異，合成鉆石所顯示的紫外線激發熒光圖案是非常獨特的，因此可以利用特征圖案來鑒定他們。Diamond View TM可以快速產生熒光圖案，熒光圖案是由于生長區域和生長環帶之間的不同雜質濃度產生的。通過Diamond View TM的測試作者所見的熒光圖案呈現綠黃色并伴有弧形紋理，非常符合CVD合成鉆石的特征。

5 結論

(1)測試樣品在正交偏光顯微鏡下具有灰色干涉色，并局部可見弧形紋理特征。

(2)測試樣品紅外吸收光譜特征為1400 cm-1以下無明顯吸收峰，為IIa型鉆石。

(3)測試樣品紫外可見光譜具有270 nm吸收峰，常溫405 nm激發光源光致發光光譜具有737 nm熒光峰。

(4)測試樣品在Diamond ViewTM下具有綠黃色熒光和藍白色磷光現象，并具有弧形紋理特征。

(5)綜上所述測試樣品為一種具有藍白色磷光現象的CVD合成鉆石，并非為常見的高溫高壓合成鉆石。