合成钻石:质量改进及鉴定挑战


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Gemesis 公司生产的 CVD 合成钻石。 左侧样品重 0.39 克拉, 采用圆形明亮式切工,颜色等级为 F,净度为 VVS2; 右侧样品重 0.83 克拉,颜色等级为 J,净度为 VVS2。 图片 © GIA。

采用化学蒸汽沉淀法 (CVD)工艺生产的无色合成钻石在市场上日益普遍。 CVD 工艺钻石与通过地质力量形成的天然钻石差异巨大。 此外,它们与 20 世纪 50 年代中期以来采用高温高压 (HPHT) 法制造的合成品也迥然不同。
 
CVD 合成钻石大约在十年前开始出现于宝石钻石市场。 工艺涉及将气体(如甲烷)引入真空室,然后通过微波激活和分解气体的分子。 这就导致碳原子堆积在基板上(含有扁平钻石晶种的小平台,通常为高温高压 (HPHT) 合成),类似于降雪时的雪花积聚。
 
通用电气于 1954 年首次成功采用高温高压 (HPHT) 处理方法使钻石生长,从本质上而言是模仿天然过程,即地球深处的极高热力和压力使碳结晶成钻石。 由于需要一定的能量和设备,因此高温高压 (HPHT) 处理非常昂贵,而且生产的钻石颜色主要是黄色或褐黄色。
 
CVD 处理方法则成本低得多,因为只需在适中温度和低压下即可工作,因此所需设备更小、更经济。 由于真空室仅含有碳和一些氢气,因此可以生长出无色晶体。 如果将氮或硼引入真空室,则可生长出黄色或蓝色的合成钻石晶体。
 
起初,这些 CVD 钻石的创造者认为,他们将能够快速、廉价地生产钻石。 然而,由于品质不一,且所形成的褐色通常不甚理想,因此未能实现预期。
 
在过去十年中,CVD 生产商已经发现,改变生长室中的气体并使用较纯的 II 型合成钻石作为晶种可以改善成品合成钻石的颜色和生长速率。 由于许多早期 CVD 合成钻石略带褐色,生产商还发现在高温高压下处理该材料可除去褐色,使晶体呈现无色。 该处理步骤掩盖了一些代表性特征,导致这些合成钻石的鉴定变得更加困难。 
 
位于佛罗里达州萨拉索塔的 Gemesis 公司采用高温高压 (HPHT) 处理生产出其早期的合成钻石,并于 2012 年 3 月开始在市场上销售无色 CVD 合成钻石。 其他一些公司也开始销售 CVD 合成钻石。
 
GIA 研究人员从 Gemesis 购买了 16 颗 CVD 钻石,其中有 15 颗采用圆形明亮式切工,重量从 0.24 克拉到 0.86 克拉不等。 绝大部分具有非常高的颜色等级,即 GIA 4C 标准的 F 至 G 级。 三颗为 I 至 J 级。最大的一颗重 0.90 克拉,采用长方形切工,颜色等级为 L,因为其呈现略微偏黄的光芒。
 
研究人员在 GIA 研发部总监 Wuyi Wang(王五一)博士的带领下,对这些合成钻石进行了一系列测试。 测试包括若干类型复杂的频谱分析,以获取通过 CVD 处理方法生长的样本的“代表性特征”。 通过使用先进的检测仪器,科学家们可以读取钻石的光谱特征,以确定其组成,或判定它们是源自大自然或是实验室。 GIA 研究人员还进行了标准宝石学测试,包括检查是否具有诊断其他合成钻石的已知特征,比如晶纹和紫外荧光反应。 钻石具有晶纹(如木材),这是其结晶方式所形成的。由于大自然成长环境与实验室不同,因此合成钻石的晶纹也存在差异。
 
GIA 测试发现,CVD 处理方法引入后,无色至近无色品质的 CVD 生长钻石在十年间品质得以大大改善。 在过去,CVD 合成品呈现出天然钻石中所不存在的晶纹,以及独特的荧光反应。 这些样本表明,将这些合成钻石与天然钻石区分开来需要采用先进的光谱技术。 此外,合成品显然需要经过高温处理,以去除或掩盖一些迹象特征,比如经处理后很难发现晶纹。
 
尽管通过常规方法难以辨识这些合成钻石,但 GIA 研究人员仍然发现了独特的光谱特征。 他们使用 DiamondView™ 通过光致发光和紫外荧光反应来进行辨识,这是一种宝石鉴定所用于检测合成钻石的精密仪器。
 
GIA 继续将合成钻石作为重点研究课题,以识别这些最新研制的实验室生长钻石并出具相关证书。