鉴定实验室制造钻石


宝石级品质的合成钻石
在这段视频中,GIA 的特聘研究员 James Shigley(詹姆斯·史格雷)博士提供有关宝石级品质合成钻石的最新发展概况。

在今天的珠宝市场上,宝石级品质合成钻石比以往更加容易买到,珠宝商在兴趣高涨的同时,也担心材料的本质,以及珠宝学家或珠宝鉴定所是否能够对其予以鉴定。

用高温高压法生长的合成钻石珠宝配饰
人们现在可以在宝石和珠宝市场上买到各种颜色的用高温高压法生长的合成钻石,例如,由 Gemesis Corp. 提供的这颗具有吸引力的合成黄色钻石珠宝(1.00 至 1.25 克拉),以及来自 Lucent Diamonds 和 Chatham Created Gems 的未镶嵌合成钻石(均不足 1 克拉)。 无色钻石均为天然钻石。

GIA 在过去 30 年里对合成或“人造”钻石进行了广泛研究,我们深入了解它们的制作方法以及如何鉴定。虽然合成钻石是实验室制造或工厂制作的,但其化学和物理特性与天然钻石非常接近。

有些人可能会将合成钻石当作仿品,但这是不正确的。合成二氧化锆石或合成碳硅石等仿品只是看起来像钻石,但具有截然不同的化学和物理特性。这让训练有素的宝石学家能够很容易识别出来。但是,合成钻石更难鉴定。

市场上的钻石分类表
现在可以在市场上买到各种各样的天然、合成及经过颜色处理的宝石钻石。 由于它们的商业价值差异较大,因此要进行估价和在卖点告知消费者,此时正确鉴定至关重要。

在某些情况下,训练有素的宝石学家可以通过使用标准的宝石检测设备识别合成及经过处理的钻石。在其他情况下,可靠的鉴定必须包括使用 GIA 的先进科学仪器对钻石进行测试。在 GIA,我们创建了一个大型数据库,里面包含有关各类型钻石的宝石性质的信息,我们可以利用该数据库帮助开发钻石鉴定的其他方式。

如何按照类型对钻石进行分类

在 20 世纪 30 年代初期,科学家们开始认识到,特定种类的钻石具有类似的特征。他们根据在紫外线辐射下的透明度,将钻石分为两个主要类别,I 类和 II 类。科学家们能够通过钻石结构中的碳 — 和杂质 — 原子的排列,进一步将 I 型和 II 型钻石分为两个子类别。1959 年,他们发现氮是钻石的主要化学杂质,而且 Ⅱ 型钻石含有这种杂质,而 Ⅱ 型钻石则没有。

钻石类型分类系统
下图展示了简化版本的钻石类型分类系统。 可以根据钻石结构中碳(和杂质)原子的排列,将 I 型(顶行)和 II 型(底行)钻石分别划分为两个子类别。 C = 碳原子,N = 氮原子,B = 硼原子。 使用名为红外光谱法的科学方法可以快速确定钻石类型。

绝大部分天然钻石属于科学家们所说的 Ia 型。Ia 型钻石包含大量成群或成对的氮。此类钻石不可能用人工方式生长。Ib 型钻石含有分散和隔离氮原子,不成对或成群出现。Ib 型钻石在自然界中非常罕见。IIa 型钻石几乎不含氮,而 Ib 型钻石含有硼。

合成钻石与类型 Ib、IIa 和 IIb 相对应,在天然钻石中,这些都是稀少种类。

在 GIA,I 型和 II 型钻石可通过后者的短波紫外辐射透明度来分辨,且这两种类型都可通过红外光谱来区分(钻石的“类型”分类系统及其在宝石学中的重要性《宝石与宝石学》(Gems & Gemology),2009 年夏季刊,第 45 卷,第 2 版)。

类型
(颜色)
天然面 高温高压 (HPHT)
合成
化学蒸气沉淀法 (CVD)
合成
Ia(近无色) 常见 --- ---
Ib(黄色) 罕见 罕见
IIa(无色) 罕见
IIb(蓝色) 罕见 罕见 罕见
该表格​​介绍了相对丰富的天然钻石类型,以及两种类型的合成钻石。大多数合成钻石是 Ib 型或 IIa 型。表格更新于 2018 年 11 月。

钻石生长

天然钻石晶体形成于数百万甚至数十亿年前的地球深处,深度可达 100 英里(160 公里)以上,并由于火山爆发被带到地表。这些火山喷发形成了狭窄垂直的火成岩管道,称为金伯利岩。通过开采金伯利岩管可收集钻石,并以机械的方式分解矿石,以释放晶体。金伯利岩中的钻石含量非常低,可能只有百万分之一 ,因此矿工们必须处理大量矿石,以收集钻石。

天然钻石晶体
天然钻石晶体(左)显示典型的圆形八面体形状,这是在地球深处作用的结果。 火山爆发构成了金伯利岩管(中),从而将这些晶体带到表面。 天然宝石级钻石的理想晶体形状是八面体(右)。 钻石的生长发生在八个晶体表面。

天然钻石在一系列温度和压力条件下生长。其温度比生长合成钻石所用的温度更高。在高温下,钻石生长为八面体晶体,但在较低的实验室温度下,它们生长为同时包含八面体和立方体晶面的晶体。天然钻石的漫长生长时间意味着,大多数钻石中的氮杂质必须经过一段时间进行聚集,以成对或成群出现,从而形成大部分,即 95% 以上的 Ia 型钻石。

合成钻石的生长周期非常短,只需要数周至一个月或更久,条件与地球深处的天然钻石形成条件不同。由于生长期非常短,合成钻石晶体的形状与天然钻石有很大不同。

钻石合成

科学家在 20 世纪 50 年代中期首次制成微小晶体形态的合成钻石。1990 年代中期开始制造适用于制作珠宝的较大晶体,并一直延续至今,并且有越来越多的公司开始从事钻石生长业务。合成钻石在多个国家进行生长,以用于珠宝和工业用途,这可能是该材料更为重要的用途(来自中国的大颗无色高温高压合成宝石钻石,国际宝石新闻,《宝石与宝石学》(Gems & Gemology),2016 年春季刊,第 52 卷,第 1 期)。

传统的合成方法,称为高温高压 (HPHT) 生长,涉及利用铁 (Fe)、镍 (Ni) 或钴 (Co) 等熔融的金属合金形成钻石。较新的方法,称为化学蒸气沉淀法 (CVD) 或低压高温 (LPHT) 生长,涉及从真空室内的气体形成钻石。

在两种方法中,钻石晶体或板块被用作晶种,以开始生长。

高温高压合成

高温高压 (HPHT) 钻石生长发生在装置内的一个小舱室里,该装置能够产生非常高的压力。在舱室内,钻石粉末原料溶解在熔融的金属助熔剂中,然后在晶种上结晶,以形成合成钻石晶体。结晶过程需要数周至一个月或更长时间,以形成一个或几个晶体。

除了八面体表面,HPHT 合成钻石晶体通常还会显示立方体表面。由于天然和 HPHT 合成钻石晶体的形状不同,它们的内部生长模式也大不相同。这些生长模式可能是将其区分的最可靠方法之一。

打磨后的刻面合成宝石通常会展示出一些可见特征,例如颜色分布、荧光分区和孪晶纹,这都与它们的十字形生长区结构有关,偶尔还会显示有深色的金属助熔剂内含物。某些情况下,在关闭紫外线灯后,材料可以持续性地发光,即磷光现象。这些合成钻石可以通过专业鉴定技术(比如可见光和荧光光谱)来进行可靠鉴定。

大多数 HPHT 生长晶体呈黄色、橙黄色或褐黄色。几乎所有均为 IIb 型,该类型在天然钻石中非常稀少。

制造无色 HPHT 合成钻石非常具有挑战性,因为需要修改生长条件和设备,以排除氮。此外,高纯度无色钻石(IIa 型或较弱的 IIb 型)的生长率比 Ib 型合成钻石的生长率低,因此在温度和压力条件下需要更长的生长时间和更大的控制。虽然生长优质无色 HPHT 晶体一直都很困难,但最新发展技术已经能制造出用于超过 10 克拉刻面宝石的晶体(大颗蓝色和无色 HPHT 合成钻石,实验室注意事项,《宝石与宝石学》(Gems & Gemology),2016 年夏季,第 52 卷,第 2 期)。

蓝色晶体的出现是因为在宝石生长过程中添加了硼。其他颜色,例如粉红色和红色,可通过宝石后期生长处理工艺(包括辐射和加热)来产生,但较不常见。

高温高压合成
在高温高压合成中,压力机(左)对包含必要成分的中间生长室应用极高的压力和温度。 这便产生了立方体和八面体表面(中和右)相结合的合成钻石晶体。
宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 2004 年冬季版发表的一篇关于合成钻石的文章所附图表。下载 (PDF)

CVD 合成

CVD 钻石生长在填充有含碳气体(如甲烷)的真空室内进行。能量源(如微波束)分解气体分子,碳原子向下吸附到扁平的钻石排种盘中。结晶过程需要数周时间,以同时形成多个晶体。确切的数量取决于真空室的尺寸和排种盘的数量。板状晶体通常带有粗糙的黑色石墨边缘。它们常常还会呈现褐色,在进行宝石刻面的步骤之前,通过热处理可去除该颜色。

无色宝石品质化学蒸气沉淀法生长的合成钻石
由于这样的无色宝石品质的化学蒸气沉淀法生长的合成钻石(0.22 至 0.31 克拉)在市场上可以买得到,正规的鉴定就显得很重要。 摄影:Jian Xin (Jae) Liao(廖建新)/GIA。

大多数 CVD 晶体都呈褐色或灰色,但如果将微量的氮或硼引入到真空室中,也能产生黄色、粉红橙色或蓝色的晶体。采用这种方法制造无色晶体则更容易,但晶体生长的时间要更长。目前市场上销售的大多数 CVD 生长的无色钻石都被认为是已经过高温高压热锻脱色处理的褐色晶体。最常见的 CVD 合成钻石是 IIa 型。

与 HPHT 生长的材料相比,CVD 合成钻石表现出不同的宝石性质。当被放在交叉偏振滤光镜之间观察时,它们往往呈现有色带状的“应力”图案,且净度很高,只有少量深色的碳内含物(若有)。

CVD 合成
在化学蒸气沉淀法 (CVD) 合成中,富含碳的气体在平坦的钻石晶种表面沉积,从而形成合成钻石。 合成钻石在薄层中生长,其最终厚度取决于允许生长的时间(左)。 这便产生了扁平的板状晶体(中和右),外部带有黑色石墨晶体涂层。

与 HPHT 合成一样,CVD 合成不断改善,允许制造商提供更大尺寸和经过改善的颜色与透明度(CVD 合成钻石品质的最新进展,《宝石与宝石学》(Gems & Gemology),2012 年夏季刊,第 48 卷,第 2 期)。

GIA 近期对两颗重量为 2.51 和 3.23 克拉的大尺寸 CVD 合成钻石进行检测,这是迄今为止检测的最大的 CVD 生长钻石(GIA 检测的两颗大尺寸 CVD 生长合成钻石,实验室注意事项,《宝石与宝石学》(Gems & Gemology),2015 年冬季刊,第 51 卷,第 4 期)。

理想化晶体
理想化晶体(从左至右):CVD 合成品、HPHT 合成品和天然钻石。 八面体表面显示为黄色,立方体表面为蓝色。 大部分天然钻石生长为八面体(右),但 HPHT 合成品(中)通常显示立方体和八面体表面的结合。 CVD 合成品(左)中完全没有八面体表面。 晶体生长的方向如箭头所示。 虚线代表 HPHT 合成钻石中晶种的位置和 CVD 合成品中晶体的边缘。

鉴定

在过去的几年中,越来越多的公司开始生产用于珠宝的合成钻石。他们不断改善净度和颜色,并提高克拉重量。考虑到新闻报道中出现的大量合成钻石,GIA 仅遇到少量合成钻石,显然是在不知情的情况下提交给 GIA 出分级证书的。

为了鉴定各种类型的宝石原料,训练有素的宝石学家使用多种宝石检测设备,包括折射仪、紫外荧光灯、双目显微镜、偏光器及其他检测工具。由于合成钻石的质量逐渐提高,使用标准设备将其与天然钻石区分开来变得更加具有挑战性。

即使是训练有素的宝石学家也可能无法识别合成钻石,但 GIA 可以进行鉴定。

HPHT 合成 CVD 合成
不均匀的颜色分布 均匀的颜色分布
孪晶纹图案 没有孪晶纹图案
不寻常的荧光色 不寻常的荧光色
荧光色图案 荧光色图案
偶尔的磷光 偶尔的磷光
金属助熔剂内含物 偶尔含有极小的深色内含物
无应力图案 带状应力图案
腰围上可能有刻字 腰围上可能有刻字
该表格列出了两种合成钻石的许多不同视觉特征。

在 GIA 的季度专业期刊《宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 有关合成钻石的文章中,已经对这些诊断特征进行讨论和描述。过去和现在的每一期都可以在 GIA 网站进行查看和下载。

这些视觉特征是大部分合成钻石所具有的特性,但并不是每个刻面合成钻石都将表现出所有这些特征​​。例如,特定的合成钻石可能不会显示任何荧光。因此,根据尽可能多的诊断特征鉴定合成钻石非常重要。

HPHT 生长彩色合成钻石通常显示不均匀的着色,使用显微镜可以在透射光下看到,如果需要,将成品宝石浸泡在水或矿物油中可以减少表面反射。这种颜色分区是由于杂质(如氮)在晶体合成时融入到合成​​钻石晶体所致。有时,天然钻石会表现出一些颜色分区,但不是 HPHT 合成钻石中显示的几何图案。

彩色 HPHT 合成钻石中的颜色分区
彩色 HPHT 合成钻石中的颜色分区与不同晶体表面相对应,产生与天然钻石晶体不同的图案。 一些杂质元素尤其集中在生长方向。 标记 Ib 的区域包含分散的氮杂质,标记 IIb 的区域包含硼,无色区域 (IIa) 通常没有杂质元素。 通常只有合成钻石在相同晶体中显示氮和硼杂质的混合物。

相比之下,CVD 生长合成钻石一般显示均匀的着色。

HPHT 合成钻石通常显示固化助熔剂金属的内含物,该内含物在透射光下呈黑色、不透明,但在反射光下呈现金属光泽。由于用于钻石生长的助熔剂金属合金通常包含铁、镍和钴等元素,因此含有较大金属内含物的合成钻石可以通过磁铁拾起。

助熔剂内含物
高温高压合成钻石通常显示助熔剂金属的内含物,该内含物在透射光下呈黑色、不透明,但在反射光下呈现金属光泽。 在某些情况下,宝石中含有足够多的镍铁 (Ni-Fe) 助熔剂内含物,可使宝石能够被磁铁吸引。

CVD 生长合成钻石可通过不同方式形成,并且不含有金属内含物。

一些天然钻石包含石墨或一些其他矿物等深色内含物,但这些内含物不具有金属光泽。

在两个相互呈 90 度角的偏振滤光片之间检查时,天然钻石表现出明亮的交叉影线或干扰的马赛克图案或“应力”颜色。这些干扰色是当钻石在地球深处时或者在火山爆发而被带到地球表面的过程中因钻石受到压力而出现的。相比之下,合成钻石生长在几乎均匀的压力环境下,不受到任何应力,因此以相同方式检查时,它们不显示应力图案或弱带状应力图案。

通常,合成钻石的荧光也有助于进行鉴定,与长波紫外线灯相比,它在短波下更强,可以显示不同的图案。

高压高温合成钻石显示十字形荧光图案
高压高温合成钻石在冠部或底部显示十字形荧光图案。

HPHT 生长合成钻石的成品宝石冠部或底部往往会显示十字形荧光图案。通过底部刻面观察时,CVD 生长合成钻石可能会显示条纹图案。典型的荧光色为绿色、黄绿色、黄色、橙色或红色。

关闭紫外线灯后,合成钻石可能会出现长达 1 分钟或更长时间的持续磷光。

在 GIA,我们使用一种名为 DiamondView 的荧光成像仪器,用于检查钻石。该仪器可以显示钻石晶体内部的生长模式特点。

DiamondView 成像系统
借助 DiamondView 成像系统(上),GIA 可以查看天然和合成钻石的
生长模式。同轴生长模式(左)可识别该宝石为
天然宝石,而十字形模式(中)是 HPHT 合成品的诊断依据。
在这种圆形钻石的中间部位看见的常规条纹(右)表明它是
CVD 生长合成钻石。

珠宝业面临的真正的鉴定挑战是对非常微小的钻石,或米粒钻,进行检测。该材料成包出售,含有数百至数千颗小宝石,其中包括天然和合成钻石(筛选小颗黄色米粒钻进行处理和合成,实验室注意事项,《宝石与宝石学》(Gems & Gemology),2015 年冬季刊,第 51 卷,第 4 期)。

一组色彩浓烈的圆形黄钻
这组 359 颗色彩浓烈的圆形黄钻(0.02-0.03 克拉)是由 GIA 筛选出来的。 大部分是天然钻石(左),14 颗为 HPHT 合成钻石(中),还有一颗是经 HPHT 处理的天然钻石(右)。 这些钻石外观一致,很难用肉眼区分。 摄影: Sood Oil (Judy) Chia(苏德·奥尔(朱迪)·嘉)。

为了帮助珠宝业解决该问题,GIA 最近开发了一种自动仪器,可检测非常小的钻石,我们将在鉴定所推出新的检测服务。

作为合成钻石持续研究项目的一部分,GIA 最近建立了一处 CVD 生长设施,在该设施中,我们将能够生产自己的合成钻石,以用于研究。

GIA 的化学蒸气沉淀法 (CVD) 钻石生长设施
GIA 的化学蒸气沉淀法 (CVD) 钻石生长设施。

真空室内的合成钻石晶体
可以在真空室内看见不断生长的合成钻石晶体(左)。 生长完成后,晶体从真空室内移出(右)。 黑色的表面覆盖着无色内部。

概括地说,现在可以提供越来越多的合成钻石,用于制作珠宝。基于 60 多年的研究,我们了解,GIA 鉴定所可以鉴定宝石学家无法鉴定的合成钻石。如果您对合成钻石有任何问题,请联系 GIA。

编者注:本文是 2016 年拉斯维加斯 JCK 珠宝展上的演讲摘要。

James E. Shigley(詹姆斯•E•史格雷)博士是卡尔斯巴德 GIA 的一位特聘研究员。