研究消息

天然钻石上的化学蒸气沉淀法 (CVD) 合成膜的长期坚固性

Sally Eaton-Magaña

七月 8, 2014

0.27 克拉钻石上的 CVD 膜
图 1. 这颗 0.27 克拉的钻石在底部位置涂了一层掺杂有硼的 CVD 合成钻石膜，该钻石的颜色等级是暗彩褐黄灰色。 照片中所见的明显色域显然表明该钻石经某些方法处理过，并不是一颗天然宝石。 摄影：Robison McMurtry。
2005 年，通过化学蒸汽沉淀法，在一颗 0.27 克拉的天然钻石底部形成一层薄膜（10 微米）。 CVD 层故意掺杂了硼，以呈现蓝色。 没有进行后续的抛光。 结果产生的却不是蓝色，而是不太满意的灰色。 这颗 CVD 生长过度的天然钻石被重新镶嵌到戒指中，本文作者在接下来的八年中每天都戴着这枚戒指。 最近，这颗混合钻石被从其镶座中取下，进行宝石学和光谱鉴定，并评估 CVD 膜的当前状态。

控制良好的坚固性研究检测了钻石上的非钻石涂层 （例如，A.H. Shen 等，“Serenity 涂层彩钻：检测与坚固性”，《宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 2007 年春季刊，16–34 页）和非钻石材料上的纳米晶钻石涂层 （J.E. Shigley 等，“无色涂层合成二氧化锆石[金砂]的特征鉴定”，《宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 2012 年春季刊，18–30 页）。 但是，就我们所知，并未在天然钻石上形成的 CVD 钻石膜上进行过这些涂层方法。 对这一个样本进行评估，考虑到戒指通常受到的暴露程度，可以显示钻石上这种涂层的长期稳定性。 预期这样的膜会保持稳定，因为 CVD 合成膜和天然钻石之间的晶体结构没有出现晶格失配。 钻石/非钻石界面所产生的晶格失配和低内聚通常会造成中度至不良坚固性。

使用光谱技术很难找到 CVD 层的证据。 傅里叶变换红外光谱吸收（通常从钻石主体提供数据）显示无特别的 CVD 特征，只显示底部的钻石是 Ia 型钻石。 使用 PL 光谱（从有限的区域内收集数据），也很难找到 CVD 膜的光谱证据，即使是在共焦模式下收集 PL 数据也很难证明。 在 IR 吸收中没有检测到 CVD 相关的 3123 cm-1 峰，并且 PL 中未观察到 737 纳米处的硅峰。 通过目测观察（图 1）和微观分析（图 2），其不寻常外观便是 CVD 层继续存在于钻石上的最佳佐证。 底部还显示有导电性，表明掺杂了硼。

CVD 膜呈现不规则纹理 图 2. 此差别的干扰对比图像显示了这颗 0.27 克拉天然钻石底部刻面上 CVD 过度生长膜的不规则纹理。 每个刻面有不同的颜色，并且颜色之间的边界位于刻面连接处。 图片由 Nathan Renfro 提供。
通过高倍数放大检查钻石底部，可以评估日常佩戴了八年后的钻石 CVD 层状态。 膜仍然基本完好，覆盖了整个底部，并只包含少数零星小孔。 刻面连接处无明显磨损。 图 1 中的明显色域将钻石分成四部分，这很可能是由于沉淀的差异以及不同刻面上硼的掺入率不同所造成。 最近，钻石在还原性气氛下热锻两次（于 600℃ 和 700℃ 各一小时），以尽量使其变得更蓝。 这种处理使颜色从暗彩褐黄灰色变成暗彩灰色。

随着处理的日益复杂，以及从鉴定所到贸易过程的推进，对准确检测的需求也随之增强。 然而，这种半永久性的膜是可识别的，并重申了需要使用光谱方法和传统方法进行宝石学特征鉴定。

Sally Eaton-Magaña 是加利福尼亚卡尔斯巴德 GIA 鉴定所的一名研究科学家。