一種藍(lán)白色磷光鉆石的寶石學(xué)和光譜學(xué)特征研究

石魯川,朱紅偉

(1.濟(jì)寧市質(zhì)量計(jì)量檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東省計(jì)量科學(xué)研究院(國(guó)家黃金鉆石制品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心)，山東 濟(jì)南 250014)

1 概述

在20世紀(jì)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(fā)現(xiàn)，即化學(xué)氣相沉積法(CVD)合成鉆石。原理是將高純度的碳在真空環(huán)境下，用高壓電離使其活化，生長(zhǎng)基板是經(jīng)去應(yīng)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(huán)境下結(jié)晶成鉆石。甲烷在高能微波的激發(fā)下，氫鍵斷裂并與空氣中的氫氣相結(jié)合，同時(shí)兩個(gè)相鄰甲烷的碳原子成鍵，過(guò)程中形成-CH3和-CH2-中間態(tài)，隨著氫原子逐漸去除，形成了鉆石的分子結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，CVD合成鉆石技術(shù)發(fā)展迅猛，國(guó)內(nèi)外具有大顆粒CVD合成鉆石出現(xiàn)，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(yīng)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(rèn)為熒光圖案是鑒定的重要特征之一。朱文芳等[2]認(rèn)為光致發(fā)光光譜737 nm熒光峰和熒光圖案特征生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)是鑒定CVD合成鉆石的重要特征。楊池玉等[3]認(rèn)為無(wú)色高溫高壓合成鉆石具有強(qiáng)磷光現(xiàn)象是其鑒定和篩查特征之一。吳旭旭等[4]認(rèn)為737 nm熒光峰依然是鑒定國(guó)內(nèi)外CVD合成鉆石的重要依據(jù)。通過(guò)查詢文獻(xiàn)可知，強(qiáng)磷光通常作為篩查高溫高壓法合成鉆石的重要依據(jù)，但筆者所遇到這種具有強(qiáng)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(zhì)檢機(jī)構(gòu)和同行，不能依據(jù)鉆石的磷光現(xiàn)象來(lái)判斷鉆石的成因。

2 基本寶石學(xué)特征

2.1 測(cè)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(biāo)卡尺等儀器進(jìn)行常規(guī)寶石學(xué)特征測(cè)試。

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

2.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試樣品為一粒無(wú)色鉆石，金剛光澤，切工級(jí)別極好，質(zhì)量0.0600 g，約0.30克拉，尺寸4.29×4.33×2.58 mm，顏色級(jí)別為I色，凈度級(jí)別為SI1(圖1)。經(jīng)寶石顯微鏡觀察，在風(fēng)箏面處可見(jiàn)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(jí)灰色干涉色，局部刻面呈現(xiàn)黑白相間的弧形條帶狀結(jié)構(gòu)(圖2)。正交偏光顯微鏡下的結(jié)構(gòu)特征應(yīng)引起警示。

圖1 測(cè)試樣品

圖2 放大觀察(20×)

3 光譜學(xué)特征分析

3.1 紅外吸收光譜

3.1.1 儀器及測(cè)試條件

紅外光譜分析采用德國(guó)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(cè)試。測(cè)試條件：室溫25℃，相對(duì)濕度35%，分辨率為8 cm-1，掃描次數(shù)為64次，測(cè)量范圍為400 cm-1～6 000 cm-1。測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)化為吸光度譜圖。

3.1.2 測(cè)試結(jié)果

樣品的傅里葉變換紅外吸收光譜顯示在1400 cm-1以下無(wú)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(dòng)所引起的吸收[5]，確認(rèn)樣品為Ⅱa型鉆石。

圖3 樣品的紅外吸收光譜

3.2 紫外可見(jiàn)光譜分析

3.2.1 儀器及測(cè)試條件

采用廣州標(biāo)旗光電科技發(fā)展股份有限公司的GEM-3000(III)型紫外-可見(jiàn)光光譜儀，測(cè)試條件：積分時(shí)間50 s，平均次數(shù)30，平滑度2，測(cè)試范圍為225～1000 nm，室溫27℃，相對(duì)濕度45%。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

樣品的常溫紫外可見(jiàn)光譜顯示270 nm、230 nm吸收峰，未檢測(cè)到415 nm吸收峰，通過(guò)對(duì)比不同成因的鉆石的紫外可見(jiàn)光譜特征，270 nm附近吸收峰常出現(xiàn)在合成鉆石中，但也有報(bào)道在天然鉆石中出現(xiàn)過(guò)270 nm吸收峰。因此紫外可見(jiàn)光譜特征難以確定鉆石成因問(wèn)題，需要進(jìn)一步測(cè)試(圖4)。

圖4 樣品的紫外可見(jiàn)光譜

3.3 光致發(fā)光光譜分析

3.3.1 測(cè)試儀器

采用廣州標(biāo)旗光電科技公司PL-3000型光致發(fā)光光譜儀，測(cè)試條件：積分時(shí)間50 s，平均次數(shù)30，平滑度2，波長(zhǎng)范圍400～1000 nm，配備405 nm激發(fā)光源。

3.3.2 測(cè)試結(jié)果

在常溫條件下測(cè)試樣品的光致發(fā)光圖譜，樣品具有428 nm尖銳熒光峰，同時(shí)具有737 nm熒光峰(圖5)。737 nm發(fā)光峰是由Si雜質(zhì)和空穴結(jié)合形成的[Si-V]-缺陷所致。這是由于在CVD合成鉆石的反應(yīng)倉(cāng)里有含有硅的組件，經(jīng)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(guò)對(duì)比分析，光致發(fā)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(fā)光圖譜

3.4 發(fā)光成像分析

3.4.1 測(cè)試儀器

采用戴比爾斯(DeBeers)公司開發(fā)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(jī)(CCD元件)記錄波長(zhǎng)230 nm的強(qiáng)短波紫外光對(duì)鉆石激發(fā)的熒光影像，以觀察鉆石的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

3.4.2 測(cè)試結(jié)果

樣品具有綠黃色熒光和藍(lán)白色磷光現(xiàn)象，觀察熒光圖案發(fā)現(xiàn)樣品具有典型的層狀生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(圖6)，此結(jié)構(gòu)特征符合CVD法合成鉆石的機(jī)理[7]。說(shuō)明樣品為CVD法合成鉆石。但此樣品具有藍(lán)白色磷光現(xiàn)象比較少見(jiàn)，通常認(rèn)為藍(lán)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(yīng)引起高度關(guān)注。

圖6 Diamond-viewTM下熒光和磷光

4 討論

Christopher P. Smith等[8]研究表明經(jīng)高溫高壓處理的IIa型鉆石在正交偏光器之間觀察時(shí)，顯示出稍強(qiáng)的一階干涉色(藍(lán)色)。但未經(jīng)高溫高壓處理之前，在正交偏振器之間觀察時(shí)，顯示出主要的微弱干涉色(灰色)。本樣品所見(jiàn)到的干涉色為灰色，并呈現(xiàn)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(fā)的兩種儀器(Diamond Sure和Diamond View TM)來(lái)區(qū)分人造鉆石和天然鉆石。經(jīng)GIA實(shí)驗(yàn)室使用Diamond Sure測(cè)試，大約小于5%的天然鉆石會(huì)顯示進(jìn)一步測(cè)試，所有的合成鉆石均顯示進(jìn)一步測(cè)試。那么利用Diamond View TM可以有效區(qū)分天然鉆石和合成鉆石。由于合成鉆石和天然鉆石在生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上有著明顯差異，合成鉆石所顯示的紫外線激發(fā)熒光圖案是非常獨(dú)特的，因此可以利用特征圖案來(lái)鑒定他們。Diamond View TM可以快速產(chǎn)生熒光圖案，熒光圖案是由于生長(zhǎng)區(qū)域和生長(zhǎng)環(huán)帶之間的不同雜質(zhì)濃度產(chǎn)生的。通過(guò)Diamond View TM的測(cè)試作者所見(jiàn)的熒光圖案呈現(xiàn)綠黃色并伴有弧形紋理，非常符合CVD合成鉆石的特征。

5 結(jié)論

(1)測(cè)試樣品在正交偏光顯微鏡下具有灰色干涉色，并局部可見(jiàn)弧形紋理特征。

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

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

(4)測(cè)試樣品在Diamond ViewTM下具有綠黃色熒光和藍(lán)白色磷光現(xiàn)象，并具有弧形紋理特征。

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