鉆石被譽(yù)為“寶石之王”，銷(xiāo)售量居世界各類(lèi)寶石之首。然而，人們對(duì)鉆石的研究仍存在很多待解之謎，這也是向人類(lèi)科技進(jìn)步提出的挑戰(zhàn)。我國(guó)是世界上最大的合成金剛石生產(chǎn)國(guó)，但是國(guó)內(nèi)對(duì)金剛石和鉆石的研究文獻(xiàn)和報(bào)道極少。在這些大量產(chǎn)品中，會(huì)有多少產(chǎn)量能達(dá)到鉆石級(jí)別，或用于首飾，這一問(wèn)題也引起一些國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注。不僅是合成鉆石，天然鉆石和合成鉆石的優(yōu)化處理同樣是一項(xiàng)艱巨的研究課題。今年以來(lái)，我們已收到不少合成鉆石和經(jīng)優(yōu)化處理的鉆石樣品，以下總結(jié)各種鉆石的一些鑒定特征，供工作參考。

據(jù)鉆石內(nèi)含微量的N或其他雜質(zhì)元素分為Ⅰ、Ⅱ型：

Ⅰa型：

氮以2氮、3氮和4氮原子集合體存在，根據(jù)氮集合體的形式，Ⅰa型鉆石還可進(jìn)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(huán)繞一個(gè)空穴的4個(gè)氮原子集合體存在。A集合和B集合都會(huì)導(dǎo)致光譜紅外區(qū)的吸收，但不影響顏色。許多鉆石同時(shí)含A集合體和B集合體，文獻(xiàn)中稱(chēng)為ⅠaAB型（紅外光譜特征1288、1175、1375cm^-1吸收）。3氮原子集合體被稱(chēng)為N3色心，其特點(diǎn)是在415nm處產(chǎn)生明顯的吸收線(N3吸收)，在415nm和478nm之間產(chǎn)生較寬的峰（N2吸收），還有一些延伸到紫外區(qū)的寬帶。這些吸收是造成開(kāi)普系列鉆石的原因。其顏色和黃色飽和度取決于N2和N3吸收的強(qiáng)度，3氮原子集合體也是造成鉆石中出現(xiàn)藍(lán)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(jì)，有時(shí)也需要用液態(tài)氮將鉆石冷卻，尤其是經(jīng)熱處理和高溫高壓處理過(guò)的。圖1中GEM-3000珠寶檢測(cè)儀檢測(cè)的天然鉆石的紫外可見(jiàn)吸收譜。

圖1:天然鉆石的吸收譜

 

Ⅰb型：

氮以孤立原子方式存在并取代碳晶體結(jié)構(gòu)中的碳原子。鍵合中產(chǎn)生的多余電子導(dǎo)致對(duì)藍(lán)光的吸收，從而產(chǎn)生黃色。氮的濃度越高，黃色越深，甚至產(chǎn)生強(qiáng)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(jiàn)。因?yàn)椋�大多�?shù)天然鉆石長(zhǎng)時(shí)間深埋于地殼下，高壓和高溫的作用使氮原子在碳結(jié)構(gòu)中遷移并與其他氮原子鍵合，形成集合體，轉(zhuǎn)化成Ⅰa型鉆石。據(jù)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(fā)生遷移聚集，產(chǎn)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(jiàn)光譜藍(lán)區(qū)末端有吸收，在503nm和637nm處有小的吸收峰。但Ⅰb型鉆石的主要鑒別特征是紅外區(qū)1130cm^-1處的特征吸收帶和1344cm^-1處的強(qiáng)吸收線，紫外光熒光發(fā)明顯的黃色熒光。

Ⅱa型：

自然界中Ⅱa型鉆石極少見(jiàn)，幾乎是純凈的，含可忽略不計(jì)的氮，不含任何空穴和晶格變形的Ⅱa型鉆石是無(wú)色的，是極佳的熱導(dǎo)體。

Ⅱb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(jī)取代碳原子。每個(gè)硼原子比碳原子少一個(gè)電子。這一缺陷導(dǎo)致對(duì)可見(jiàn)光較長(zhǎng)波長(zhǎng)即光譜紅區(qū)末端部分的能量吸收，使Ⅱb型鉆石呈藍(lán)色。Ⅱb型鉆石還是半導(dǎo)體，其他類(lèi)型的鉆石都是電絕緣體，這一性質(zhì)是鑒定性的特征。Ⅱb型鉆石在長(zhǎng)波紫外光下呈惰性，但在短波紫外光下會(huì)發(fā)弱紅色熒光和紅色磷光。

其他缺陷和雜質(zhì)：

氫：研究發(fā)現(xiàn)自然存在不含硼和不導(dǎo)電的藍(lán)色鉆石，含氫作為雜質(zhì)存在，紅外光譜中顯示一系列尖峰（如3107cm^-1 C—H成鍵峰）。

空穴：在鉆石失去了一個(gè)碳原子而未被其他原子替代處，碳結(jié)構(gòu)中將出現(xiàn)空穴。這些空穴可因高速粒子將碳原子轟擊出其在晶體結(jié)構(gòu)中的位置而產(chǎn)生。放射性物質(zhì)的輻射能有這種效應(yīng)，并使鉆石呈綠色。當(dāng)高速粒子撞擊碳原子時(shí)，這些粒子很少能穿到晶體結(jié)構(gòu)的深處，通常只達(dá)表面以下2微米左右。這種晶體損傷導(dǎo)致光譜紅區(qū)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(cè)到（GR—General Radiation，連續(xù)輻射）。

塑性變形：可導(dǎo)致許多鉆石呈現(xiàn)褐色，這種變形是晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)所致。塑性變形形成自由鍵，自由鍵與光相互作用，可產(chǎn)生對(duì)可見(jiàn)光譜的藍(lán)端有較多的吸收，使鉆石呈現(xiàn)褐色。這種顏色不是由含氮或含任何其他的雜質(zhì)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(wú)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(gè)峰。不要把這個(gè)峰與下文中將提到的輻照處理鉆石中所見(jiàn)的495nm吸收線相混淆。

紅外光譜特征是劃分鉆石類(lèi)型有效的手段之一。 

 

鉆石的類(lèi)型劃分及特點(diǎn)

 

圖2：鉆石的紅外光譜圖（a）為Ⅰ，（b）為Ⅱ（據(jù)化學(xué)分析手冊(cè)，第三分冊(cè)）

 

圖3： 實(shí)測(cè)紅外光譜圖（紅色為Ⅱ型；綠色為Ⅰb型合成鉆石；藍(lán)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(guò)測(cè)試的鉆石需要使用Diamond View來(lái)測(cè)試。Diamond View利用鉆石在短波紫外光下所產(chǎn)生熒光的不同生長(zhǎng)區(qū)域模式圖，可以有效地區(qū)分天然鉆石與合成鉆石。DTC發(fā)明的另一類(lèi)儀器—Diamond Plus，主要用于區(qū)分改色鉆石。但就從科技發(fā)展本身的規(guī)律來(lái)看，所有的儀器并不可能成為終極武器。文獻(xiàn)資料顯示，還有更多的大型儀器和研究方法用于檢測(cè)合成鉆石及優(yōu)化處理方法，例如，液氮冷卻技術(shù)用于可見(jiàn)光吸收檢測(cè)、紅外光譜檢測(cè)、光致發(fā)光光譜、激光拉曼光譜、陰極發(fā)光等等。

 

圖4: Diamond View下天然鉆石熒光圖案（藍(lán)色熒光，非常復(fù)雜的生長(zhǎng)區(qū)模式圖，反應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境的變化）

 

 

圖5:Diamond View下HPHT合成鉆石熒光圖案

 

圖6:HPHT合成黃色鉆石表面特征（可見(jiàn)特征的厥葉狀生長(zhǎng)紋和金屬包體）

 

合成鉆石與天然鉆石在物理性質(zhì)上的差異見(jiàn)下表：

鉆石的優(yōu)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(chǎn)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(zhì)子、氘核、α粒子，可將此類(lèi)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。可使鉆石的顏色呈綠色和暗綠色。如果處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(chǎn)生的顏色通過(guò)重新拋光可去掉，不拋光可永久致色。若加熱500—900℃（真空），可使綠色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色、橙色或褐色。

鉆石中產(chǎn)生缺陷，形成N－V－N、H₃中心，可見(jiàn)光譜在503nm處有吸收峰。（496+503+595nm吸收峰，由N₂產(chǎn)生）。

2  電子處理

用加速的電子束轟擊，能使鉆石產(chǎn)生藍(lán)到藍(lán)綠色，其穿透深度可達(dá)2mm，無(wú)放射性帶入鉆石，如將改色鉆石熱處理（400℃），可產(chǎn)生桔黃色、粉紅色—紅、紫和褐色色調(diào)。形成原因，輻射損傷。吸收光譜，637nm強(qiáng)峰，523、575、593nm弱峰。

3  γ射線處理

采用鈷60產(chǎn)生的γ射線，可使鉆石改色，獲得藍(lán)和藍(lán)綠色。但處理時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。著色均勻，持久。吸收光譜，產(chǎn)生741nm吸收峰。

4  中子處理

將鉆石置于核反應(yīng)器中，用中子轟擊可呈綠色，如果長(zhǎng)時(shí)間輻射可使鉆石變黑。中子不帶電荷，能直接穿透鉆石，同時(shí)由于它們具有與質(zhì)子相同的質(zhì)量，能與一個(gè)原子相撞，使結(jié)構(gòu)受到相當(dāng)大的損傷，可使整個(gè)鉆石變色，顏色具永久性。當(dāng)在500—900℃熱處理時(shí)產(chǎn)生：Ⅰa—黃色、橙色、粉紅色；Ⅱa型—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(wú)規(guī)律性。表層有放射性殘余。形成原因，結(jié)構(gòu)損傷。同時(shí)鉆石中的放射性要保持很長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)佩戴者有傷害，現(xiàn)在一般不采用。吸收光譜，741nm，無(wú)415.5nm。

檢測(cè)方法：

吸收光譜：藍(lán)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(chǎn)生1936nm和2024nm。

導(dǎo)電性：天然藍(lán)色鉆石導(dǎo)電，人工改色藍(lán)鉆不導(dǎo)電，但有加硼CVD合成鉆石，所以需結(jié)合Diamond View或陰極發(fā)光鑒定。

表面特征：1、透過(guò)臺(tái)面觀察，可見(jiàn)頂部的顏色呈現(xiàn)傘狀效應(yīng)；2、腰棱處顯示深色色環(huán)；3、鉆石表面出現(xiàn)扁平狀、圓盤(pán)狀褐色斑點(diǎn)。

    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(wú)色鉆石過(guò)程中，處理約數(shù)十分鐘后，顏色變?yōu)闇\綠色、黃綠色、綠黃色等，具有強(qiáng)黃綠色熒光。紅外光譜1282（A心）、1370（B心）和1130（C心）的共存及近紅外H₂（986nm）的吸收是高溫高壓處理的標(biāo)志。紫外區(qū)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(biāo)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(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)、結(jié)構(gòu)有序化，從而減弱褐色調(diào)，提高色級(jí)。處理過(guò)程中可導(dǎo)致N3心的形成和產(chǎn)生孤N原子。

合成鉆石也可經(jīng)過(guò)輻照和高溫高壓處理獲得各種艷麗的顏色。