一种蓝白色磷光钻石的宝石学和光谱学特征研究

石鲁川,朱红伟

(1.济宁市质量计量检验检测研究院，山东 济宁 272000；2.山东省计量科学研究院(国家黄金钻石制品质量检验检测中心)，山东 济南 250014)

1 概述

在20世纪50年代一种不同于天然钻石高温高压条件的合成钻石的方法被发现，即化学气相沉积法(CVD)合成钻石。原理是将高纯度的碳在真空环境下，用高压电离使其活化，生长基板是经去应力处理的钻石种晶基板，碳原子在这种低压高温(压力小于1 Pa，温度800℃～1000℃)的环境下结晶成钻石。甲烷在高能微波的激发下，氢键断裂并与空气中的氢气相结合，同时两个相邻甲烷的碳原子成键，过程中形成-CH3和-CH2-中间态，随着氢原子逐渐去除，形成了钻石的分子结构。

近年来，CVD合成钻石技术发展迅猛，国内外具有大颗粒CVD合成钻石出现，与高温高压法合成钻石相比，CVD合成钻石的条件可控性能更好，应用也更为广泛。宋中华等[1]阐述了高温高压合成黄色钻石的特征，认为荧光图案是鉴定的重要特征之一。朱文芳等[2]认为光致发光光谱737 nm荧光峰和荧光图案特征生长结构是鉴定CVD合成钻石的重要特征。杨池玉等[3]认为无色高温高压合成钻石具有强磷光现象是其鉴定和筛查特征之一。吴旭旭等[4]认为737 nm荧光峰依然是鉴定国内外CVD合成钻石的重要依据。通过查询文献可知，强磷光通常作为筛查高温高压法合成钻石的重要依据，但笔者所遇到这种具有强磷光钻石并非为高温高压法合成钻石，而是CVD法合成钻石。在此，笔者提醒广大质检机构和同行，不能依据钻石的磷光现象来判断钻石的成因。

2 基本宝石学特征

2.1 测试仪器

采用宝石显微镜、钻石比色石、10×放大镜、正交偏光显微镜、游标卡尺等仪器进行常规宝石学特征测试。

宝石显微镜分析采用南京宝光检测技术有限公司生产的GVMI60型显微摄像宝石显微镜，具有40倍连续变焦功能，并搭载Canon佳能EOS600D照相机。在载物台及目镜处放置正交偏光片，组合成正交偏光显微镜。

2.2 测试结果

测试样品为一粒无色钻石，金刚光泽，切工级别极好，质量0.0600 g，约0.30克拉，尺寸4.29×4.33×2.58 mm，颜色级别为I色，净度级别为SI1(图1)。经宝石显微镜观察，在风筝面处可见片状云雾状包裹体，在正交偏光显微镜下显示异常干涉色，样品具有一级灰色干涉色，局部刻面呈现黑白相间的弧形条带状结构(图2)。正交偏光显微镜下的结构特征应引起警示。

图1 测试样品

图2 放大观察(20×)

3 光谱学特征分析

3.1 红外吸收光谱

3.1.1 仪器及测试条件

红外光谱分析采用德国BRUKER TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱仪，利用漫反射附件，采用反射法测试。测试条件：室温25℃，相对湿度35%，分辨率为8 cm-1，扫描次数为64次，测量范围为400 cm-1～6 000 cm-1。测试结果转化为吸光度谱图。

3.1.2 测试结果

样品的傅里叶变换红外吸收光谱显示在1400 cm-1以下无明显吸收峰(图3)，1970 cm-1～2500 cm-1处的吸收峰是由C-C晶格振动所引起的吸收[5]，确认样品为Ⅱa型钻石。

图3 样品的红外吸收光谱

3.2 紫外可见光谱分析

3.2.1 仪器及测试条件

采用广州标旗光电科技发展股份有限公司的GEM-3000(III)型紫外-可见光光谱仪，测试条件：积分时间50 s，平均次数30，平滑度2，测试范围为225～1000 nm，室温27℃，相对湿度45%。

3.2.2 测试结果

样品的常温紫外可见光谱显示270 nm、230 nm吸收峰，未检测到415 nm吸收峰，通过对比不同成因的钻石的紫外可见光谱特征，270 nm附近吸收峰常出现在合成钻石中，但也有报道在天然钻石中出现过270 nm吸收峰。因此紫外可见光谱特征难以确定钻石成因问题，需要进一步测试(图4)。

图4 样品的紫外可见光谱

3.3 光致发光光谱分析

3.3.1 测试仪器

采用广州标旗光电科技公司PL-3000型光致发光光谱仪，测试条件：积分时间50 s，平均次数30，平滑度2，波长范围400～1000 nm，配备405 nm激发光源。

3.3.2 测试结果

在常温条件下测试样品的光致发光图谱，样品具有428 nm尖锐荧光峰，同时具有737 nm荧光峰(图5)。737 nm发光峰是由Si杂质和空穴结合形成的[Si-V]-缺陷所致。这是由于在CVD合成钻石的反应仓里有含有硅的组件，经溶蚀后将硅带入到CVD合成钻石中。该缺陷是CVD合成钻石的重要鉴定特征之一。通过对比分析，光致发光光谱特征与CVD合成钻石的光谱特征相符合[6]。

图5 样品的光致发光图谱

3.4 发光成像分析

3.4.1 测试仪器

采用戴比尔斯(DeBeers)公司开发的Diamond-viewTM(钻石荧光成像仪)，主要用于研究钻石的紫外荧光图像，其原理是利用高清晰度摄像机(CCD元件)记录波长230 nm的强短波紫外光对钻石激发的荧光影像，以观察钻石的生长结构。

3.4.2 测试结果

样品具有绿黄色荧光和蓝白色磷光现象，观察荧光图案发现样品具有典型的层状生长结构(图6)，此结构特征符合CVD法合成钻石的机理[7]。说明样品为CVD法合成钻石。但此样品具有蓝白色磷光现象比较少见，通常认为蓝白色磷光是高温高压合成钻石的重要鉴定特征之一，但此样品不属于此类，应引起高度关注。

图6 Diamond-viewTM下荧光和磷光

4 讨论

Christopher P. Smith等[8]研究表明经高温高压处理的IIa型钻石在正交偏光器之间观察时，显示出稍强的一阶干涉色(蓝色)。但未经高温高压处理之前，在正交偏振器之间观察时，显示出主要的微弱干涉色(灰色)。本样品所见到的干涉色为灰色，并呈现弧形特征，因此从正交偏振器之间观察干涉色的情况看，该钻石趋向于CVD合成钻石。

Christopher M. welbourn等[7]描述戴比尔斯DTC研究中心开发的两种仪器(Diamond Sure和Diamond View TM)来区分人造钻石和天然钻石。经GIA实验室使用Diamond Sure测试，大约小于5%的天然钻石会显示进一步测试，所有的合成钻石均显示进一步测试。那么利用Diamond View TM可以有效区分天然钻石和合成钻石。由于合成钻石和天然钻石在生长结构上有着明显差异，合成钻石所显示的紫外线激发荧光图案是非常独特的，因此可以利用特征图案来鉴定他们。Diamond View TM可以快速产生荧光图案，荧光图案是由于生长区域和生长环带之间的不同杂质浓度产生的。通过Diamond View TM的测试作者所见的荧光图案呈现绿黄色并伴有弧形纹理，非常符合CVD合成钻石的特征。

5 结论

(1)测试样品在正交偏光显微镜下具有灰色干涉色，并局部可见弧形纹理特征。

(2)测试样品红外吸收光谱特征为1400 cm-1以下无明显吸收峰，为IIa型钻石。

(3)测试样品紫外可见光谱具有270 nm吸收峰，常温405 nm激发光源光致发光光谱具有737 nm荧光峰。

(4)测试样品在Diamond ViewTM下具有绿黄色荧光和蓝白色磷光现象，并具有弧形纹理特征。

(5)综上所述测试样品为一种具有蓝白色磷光现象的CVD合成钻石，并非为常见的高温高压合成钻石。