天然、合成蓝宝石的拉曼光谱研究

□ TEXT 蔡善武 康亚楠 雷雅琇（深圳市博伦职业技术学校）

引言

蓝宝石的主要化学成分为Al2O3，属于刚玉类宝石。宝石界将除去红宝石以外的所有刚玉宝石都称之为蓝宝石。蓝宝石最主要的颜色是蓝色，因为其瑰丽的颜色、较高的硬度及稀有性，近年来深受人们的喜爱，价格不断攀升。在近20年的时间里，仅是中国山东的蓝宝石从1990年初的几十元一斤，到2000年左右论克卖再到现在论克拉销售，且每克拉的价格从几百元到上万元不等，上涨千倍。2008年至2013年高品质“浓艳蓝色”、“矢车菊蓝”颜色且净度较好的斯里兰卡蓝宝石的净涨幅高达200%～300%，缅甸蓝宝石净涨幅则高达300%～500%。市场上不断出现众多仿制品，如蓝色玻璃、蓝色尖晶石、蓝色托帕石、合成蓝宝石等。其中合成蓝宝石因为生长环境、条件与天然蓝宝石非常近似，其颜色、宝石学属性和天然蓝宝石也最为接近。但合成蓝宝石的价格却远远低于天然蓝宝石，仅为几十到几百元一克拉，与天然蓝宝石的价格相差可达数百倍之多。

蓝宝石主要合成方法有焰熔法、助溶剂法和水热法。它们各有其缺点：

1）焰熔法合成蓝宝石主要含有气泡与弯曲生长纹[1]；

2)助溶剂法合成蓝宝石的内部特征主要有：不同形态的助溶剂残余、珀金金属片等[1]；

3)水热法合成蓝宝石的内部特征主要集中于种晶面上或附近，含有气泡、细小包裹体及残余的种晶片[2]。

现阶段鉴别天然蓝宝石与合成蓝宝石，主要通过包体、生长纹理等内部体征的差异来区分[3-4]。 随着合成宝石技术日趋成熟、完善，合成蓝宝石的弯曲生长纹更加趋于平直；部分形态的残余助与天然蓝宝石包体十分相似且金属片出现的几率较低；水热法合成的蓝宝石晶体可能会比较大，可直接去除种晶片及附近的包体，合成蓝宝石的内部会更加干净。当天然蓝宝石与合成蓝宝石内部都非常洁净时，则不能通过常规方法来鉴定、区别。

泰泓珠宝 供图

蓝宝石晶体结构为，简正振动模式为：

其中：2A1g和5Eg是拉曼活性[6-7]；A1g是内模式拉曼振动峰，归属于Al3+-O2--Al3+不对称伸缩振动、O2--Al3+-O2-伸缩振动，是蓝宝石的特征拉曼谱峰[8]；O2--Al3+-O2-对应的417cm-1为最强振动峰[9]，具有重要的鉴定意义。

本文利用拉曼光谱仪，通过测量天然蓝宝石与合成蓝宝石最强振动特征峰的半高宽的差别来提供精确的鉴别依据。

1 实验条件

德国布鲁克Senterra型激光拉曼光谱仪，测试条件为：激发光源785nm，积分时间10s，积分次数2次，分辨率3～5cm-1，光谱范围100～2600cm-1，光斑大小50μ m～1000μ m，物镜20倍，激光强度100mW。

图1 天然蓝宝石拉曼光谱

图2 天然蓝宝石拉曼光谱

2 实验结果与讨论

本次试验共收集了天然蓝宝石样品16件；焰熔法合成蓝宝石样品14件。每件样品在不同方向共测试2～5个点，一共收集了116张谱图，其中有效谱图共88张。对天然蓝宝石与合成蓝宝石的417cm-1谱峰进行洛伦兹线性拟合，并将拟合的误差控制在R＜0.3的范围内。图1、图2为天然与合成蓝宝石的拉曼光谱图。图3、图4为417 cm-1洛伦茨线性拟合后，天然、合成蓝宝石的谱图。表1、表2为天然蓝宝石与合成蓝宝石拟合后的半高宽值。

图3 天然蓝宝石洛伦兹线性拟合

图4 合成蓝宝石洛伦兹线性拟合

合成蓝宝石

表1 天然蓝宝石的半高宽

从表1和表2的数据可以看出天然蓝宝石的半高宽都在4.6cm-1以上，合成蓝宝石的半高宽均在4.6cm-1以下。这一半高宽的不同,可能是由于蓝宝石的生成环境差异所造成的。目前人工合成技术中，由于温度和压力的控制要比自然环境理想，晶格的应力较小，位错密度较低，相应的声子寿命较长，对应合成蓝宝石的线宽会比较窄。

表2 合成蓝宝石的半高宽

泰弘 供图

3 结论

利用德国布鲁克Senterra型激光拉曼光谱仪对天然、合成蓝宝石进行拉曼光谱测试，同时对417cm-1谱峰进行洛伦兹线型曲线拟合，拟合误差控制在R＜0.3，收集其半高宽值，发现天然蓝宝石和合成蓝宝石的半高宽有所不同，天然蓝宝石的半高宽均在4.6cm-1以上，合成蓝宝石的半高宽均在4.6cm-1以下，此判据可作为天然、合成蓝宝石的鉴别之用。