高温高压法合成钻石的宝石学特征

朱红伟, 刘海彬,2 ,程佑法,2 ,李建军,2 ,王笃福

(1.国家黄金钻石制品质量监督检验中心，济南 250014;2.山东省计量科学研究院，济南 250014;3.济南中乌新材料有限公司，济南 250014)

18世纪后期人们证实了钻石和石墨都是由C元素组成的，后来就开始了合成钻石的研究工作，直到20世纪中叶才在实验室合成了钻石，但主要以工业级钻石为主。随着合成金刚石技术的不断改进和完善，20世纪90年代后陆续地合成了具有商业价值的合成钻石。进入21世纪，合成钻石取得了重大进步，随着合成钻石的颜色和净度不断提高，越来越多的合成钻石进入了珠宝首饰行业。我国的合成钻石技术也是突飞猛进，目前济南某公司利用高温高压法已可以合成出十几克拉重的高品质钻石。这给珠宝鉴定行业带来了巨大挑战。

本文主要针对济南某公司生长的高温高压法合成的无色、黄色、蓝色钻石进行检测研究，目前该工厂合成钻石的质量可达十几克拉以上，作为研究对象经测试后可以总结其合成钻石的宝石学特征。

1 样品来源

测试样品由济南中乌新材料有限公司提供。样品的质量在0.25～0.65克拉之间。

2 测试方法和分析

2.1 外观特征

实验共测试6个样品，1、2号样品颜色级别为F、G，圆钻型。3、4号样品蓝色，圆钻型。5号黄色，圆钻型。6号黄色，八面体与立方体聚形原石。如图1所示。

图1 测试样品Fig.1 Samples to be tested

2.2 放大检查

在宝石显微镜下观察，发现大多数合成钻石内部具有典型的包裹体，主要呈短柱状、棒状、片状，细小的微粒状，散布于整个钻石中；在反射光下这些包裹体均呈现金属光泽，透射光下不透明，其应为HTHP合成钻石中的铁或铁镍合金触媒金属包裹体，但个别钻石内部较为洁净。样品1内部可见短柱状铁镍合金包体(图2a)，净度级别为SI1。样品2内部可见点状铁镍合金包体(图2b)，净度级别为VS1。样品3内部可见片状、柱状铁镍合金包体(图2c)，净度级别为SI2。样品4内部可见平行排列的针状、片状铁镍合金包体(图2d)，净度级别为SI2。样品5内部可见点状铁镍合金包体(图2e)，净度级别为VS1。样品6内部可见短柱状铁镍合金包体(图2f)，净度可达VS。

2.3 红外光谱分析

实验采用德国BUKER TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱仪，利用漫反射附件，测试条件：室温25℃，相对湿度35%，分辨率为4 cm-1，扫描次数为64次，测量范围为400～4 000 cm-1。

对合成钻石样品进行红外吸收光谱测试，结果显示，样品1、2号为IIa型钻石，在1400 cm-1以下无明显吸收，在2800 cm-1处有明显的吸收峰，此处吸收由硼所致(图3a)。样品3、4号为IIb型钻石，特征吸收为1290 cm-1，硼吸收所致，从吸收的强度看，此样品的硼含量应当比较高，也导致了在2800处的吸收不易观察(图3b)。硼是钻石呈现蓝色的主要原因。样品5、6号均显示1 131 cm-1处的尖锐吸收峰，该吸收峰为氮原子在红外光谱中的特征吸收线，在1282 cm-1处可见有肩峰，说明样品中在降温过程中孤氮有转化为双原子氮的过程。说明样品应属于Ib、IaA型钻石(图3c)[1-5]。

2.4 X射线荧光光谱仪分析

X射线荧光光谱(EDXRF)分析采用Thermo NORAN Quan X EC型能谱仪测试。测试条件：仪器采用铑靶, 测试时设定电压为20 kV , 电流为仪器自动控制，在真空状态下测试，选择薄铅滤片进行测试。元素定性借助仪器软件自动寻峰功能和手动寻峰功能相结合的方式进行标注。测试样品1时电压为20keV,电流自动调整为0.92mA(图4a)。测试样品2时电压为20keV,电流自动调整为0.70mA(图4b)。测试样品3时电压为20keV,电流自动调整为0.58mA(图4c)。测试样品4时电压为20keV,电流自动调整为0.56mA(图4d)。测试样品5时电压为20keV,电流自动调整为0.66mA(图4e)。测试样品6时电压为20keV,电流自动调整为0.82mA(图4f)。通过检测，发现合成钻石样品中明显含有铁，1、2、3、4号无色和蓝色样品均检测出镍，5、6号样品检测出镍，6号样品检测出锰。这与以往的高温高压合成钻石的报道有所不同[5-8]，主要触媒并不是铁镍合金，无色和蓝色合成钻石的触媒主要是铁合金，黄色合成钻石的触媒主要是铁镍合金。至于6号样品原石中的锰含量高的原因还需要进一步测试。

图2 合成钻石样品中的典型包裹体Fig.2 Typical inclusions of synthetic diamond samplesa.短柱状金属包体；b.点状金属包体;c.片状和柱状金属包体;d.平行针状和片状金属包体；e.点状金属包体；f.短柱状金属包体

图3 HTHP合成钻石的红外光谱Fig.3 Infrared spectra of HTHP synthetic diamondsa.1、2号样品的红外吸收光谱；b.3、4号样品的红外吸收光谱；c.5、6号样品的红外吸收光谱

图4 合成钻石样品的X射线荧光光谱Fig.4 X-ray fluorescence spectra of HPHT synthetic diamonds

2.5 紫外-可见光分光光谱仪分析

实验采用PE公司生产的Lambda 950型紫外-可见光分光光谱仪，测试条件：测试范围为300～800 nm，扫描间隔为0.5 nm，室温20℃，相对湿度45%。对高温高压合成钻石进行测试，结果显示合成钻石均未出现天然钻石中存在415 nm处的吸收线[9-10]。其中5号样品的测试图谱显示，样品由红区到紫区的吸收明显增强，使其呈现出黄色(图5)。

2.6 发光特征

采用广州标旗电子科技有限公司生产的GLIS-3000珠宝发光成像分析仪对合成钻石样品进行紫外荧光特征分析。结果显示，在紫外线下样品1、2显示强的蓝白色荧光，样品3、4显示中等的蓝白色荧光，样品5、6显示弱的黄绿色荧光(图6a)。样品1、2、3、4显示强的磷光现象，且发光时间长达一分多钟(图6b)。

图5 HTHP合成钻石(5)的UV-VIS光谱Fig.5 UV-VIS spectra of HPHT synthetic diamond(5)

图6 高温高压合成钻石在紫外线下的荧光Fig.6 Fluorescence spectra of HTHP synthetic diamondsa.合成钻石的荧光；b.合成钻石的磷光

2.8 生长结构特征

在Diamond ViewTM下观察样品，高温高压合成钻石均具有不同强度的荧光和磷光现象，样品均可见典型的“黑十字”现象，并具有明显的四边形生长环带。样品1、2、3、4均发蓝白色荧光，并有明显的磷光现象(图7)。样品5、6具有黄绿色荧光，并且在“黑十字”位置还具有强的磷光现象(图7)。这与之前学者测试的结果相一致[10-14]。

图7 HTHP合成钻石在Diamond View TM下的发光现象Fig.7 Fluorescence of HPHT synthetic diamonds by Microscope; Diamond View TMa、b、c、d、e、g样品在Diamond View TM下的荧光特征；f.样品5在Diamond View TM下的磷光现象

3 结论

(1)该公司合成钻石主要为无色、黄色、蓝色。放大观察其内部含有典型的金属包裹体，在反射光下显示金属光泽，透射光下不透明。

(2)红外光谱测试结果显示，无色合成钻石在1400 cm-1以下无明显吸收,在2800 cm-1处有尖锐吸收峰，为IIa型钻石；黄色合成钻石均有由氮原子吸收所致的1 131 cm-1处的吸收峰，在1282 cm-1处有肩峰，为Ib、IaA型钻石；蓝色合成钻石有硼吸收所致1290 cm-1处的吸收峰，为IIb型钻石。

(3)X荧光能谱仪测试合成无色、蓝色钻石中明显含有铁，未检测到镍。合成黄色钻石检测到铁和镍,个别样品含有锰。

(4)Diamond ViewTM测试HTHP合成钻石均可见“黑十字”现象，并具有明显的四边形生长环带。无色和蓝色合成钻石具有蓝白色荧光，并具有磷光现象且发光时间长达60多秒；黄色合成钻石具有黄绿色荧光，无磷光现象。

(5)紫外-可见光分光光度计测试HTHP合成钻石均不具有415nm吸收。

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