鑽石首飾中小顆粒（melee級）黃色合成鑽石的鑒別

現在市場上出現了很多小顆粒的黃色合成鑽石，基本上是那種黃色鑽石然後外圈鑲一圈小黃鑽做副石。這一圈小黃鑽就是有問題的，據目前鑒定來看屬HPHT高溫高壓方法合成，隨機出現的針點及金屬熔劑包體可作為診斷性依據。然而，許多合成鑽石的鑒別仍需要高級的實驗室手段。利用顯微紅外光譜、diamondview等先進寶石學手段，基於特徵的中紅外吸收光譜及生長結構對天然與合成的小顆粒鑽石分別作出快速準確地鑒別。

目前已知的實驗室合成寶石級鑽石方法有兩種：HPHT法和CVD法。HPHT合成鑽石在20世紀90年代開始在市場上出現。HPHT高溫高壓合成鑽石為黃色Ⅰb型，切割成品在2ct以下，但有些是經過HPHT處理的綠-黃色Ⅰa型。也曾發現少量的Ⅱa型無色合成鑽石，以及由多步驟處理產生粉至紅或紫色的合成品。還有一種是CVD合成法，現在已經在市場大量出現，CVD合成鑽石全部是IIa型鑽石。但是CVD合成鑽石顏色比較白的多，HPHT高溫高壓合成的鑽石黃色的比較多。

現在本文主要分析HPHT高溫高壓合成鑽石

HPHT合成鑽石的檢驗標準回顧

當今，大部分實驗室用於檢測HPHT合成鑽石的一系列指標簡要如下。

包裹體 天然鑽石大都形成於深度150~200km的上地幔，伴生礦物會以包裹體形式出現於天然鑽石中，包括鎂鋁榴石、鉻透輝石、頑火輝石及橄欖石等。定向排列的針狀包裹體也能指示其天然成因。相對地，HPHT法生長過程中通常使用Fe、Ni及Co合金熔劑，因為碳易溶於其中。這種金屬可能被晶體生長時所捕獲而成為包裹體，這樣就能夠指示合成。

儘管天然鑽石中也會出現某些具有金屬光澤的礦物（如鉻鐵礦），但其晶形與合成鑽石的金屬包體不同。後者可能呈「麵包渣」狀或針點狀，是人工生長的特徵。

晶格扭曲導致異常雙折射 鑽石屬等軸晶系，光性均質體。而利用偏光鏡觀察時，由於晶格扭曲，許多天然鑽石呈現異常雙折射。這種異常雙折射可以分為兩種類型：一種是鑽石處於地幔時，在生長過程中產生的；另一種則由於次生的塑性變形導致的。在Ⅱa型鑽石中，塑性變形導致異常雙折射的典例就是所謂的「tatami」型，可用來與HPHT法合成Ⅰa型鑽石相區別。儘管塑性形變導致的異常雙折射也可能出現在Ⅰa型鑽石中，但HPHT合成鑽石中由晶格扭曲引起的異常雙折射只沿著內部生長區出現，從而與天然鑽石相區分。

紫外熒光 天然鑽石具有各種顏色的紫外熒光，常見有藍-白色（N3中心引起），橙色（NV中心）以及黃色和綠色（S1或S3中心以及H3中心）。熒光的顏色和強度在一定程度上與鑽石的類型或顏色有關。

HPHT合成鑽石在紫外光下也會呈現特徵的熒光。Ⅱa型無色合成鑽石在短波紫外光下會發出黃-白色熒光，而其天然對應物則無此反應。同樣，粉色鑽石出現的橙色熒光則可以視為合成的證據。HPHT合成鑽石的另一個特徵就是由立方體區域生長導致的十字形不均勻熒光現象。HPHT處理產生深黃色的合成鑽石在長波、短波紫外光下可能會出現綠-黃色熒光，這可能是由與鎳有關的缺陷引起的。

色帶 天然鑽石中出現的色帶是由於晶體生長過程中摻雜的雜質元素（主要是氮）的差異引起的。這種不均勻的色帶通常平行八面體晶面出現。次生的塑性變形或{111}面的空穴面也能夠產生平行於八面體面的褐色或粉色色帶，常呈交叉樣式。這一特徵也有助於鑒別天然鑽石。

HPHT合成鑽石在結晶學上與天然鑽石也有所不同。每個內部生長區域（例如立方體及八面體面）所含雜質元素的丰度不同，導致放大檢查時可見與生長區域相一致的特徵色帶。因此，合成鑽石通常呈現十字交叉狀和正方形組合的色帶，這是一個很重要的鑒別特徵。

光譜 一般來說，單純利用常規鑒定儀器無法識別合成鑽石，所以必須採用高級光譜儀及圖像技術。區分天然和合成鑽石的關鍵途徑之一是專門分析紫外-可見光區域內由N3中心（415nm）引起的吸收。N3中心是由3個氮原子集合體包圍著一個空穴構成的缺陷，常見於大多數天然鑽石中，但在通常的人工合成過程中無法產生。利用探測N3中心的原理，DTC研製了DiamondSure來區分天然和合成鑽石。另外，在某些合成鑽石的紫外-可見光譜中還可見與Ni-N中心相關的缺陷。

FTIR可以鑒別鑽石的類型，以及天然鑽石中與氫或B心有關的特徵缺陷的存在。

X射線熒光分析 X射線熒光分析是一種通過檢測包裹體化學成分來認識HPHT合成鑽石有效手段。然而這種方法只能用於分析表面或近表面物質，任何包裹體都要出露在鑽石的拋光面上。HPHT合成鑽石中，金屬熔劑包體常常會沿及拋光面。在這種情況下，Fe、Ni或Co的出現則可以指示合成。

陰極發光（CL）圖像 高級光致發光技術可以地清晰地揭示上述截然不同的生長結構，從而對天然和合成鑽石進行有效地區分。DiamondView是DTC研發的一種常用儀器，它利用強紫外光輻射獲取鑽石的發光圖像。同樣，CL利用電子束來獲得寶石生長結構圖像。雖然DiamondView操作簡單，而CL電子束產生的熒光圖像則更加清晰銳利。而且DiamondView檢測下限約為0.05ct，但配備了光學顯微鏡的CL可以檢測更小的樣品。

天然鑽石的理想的CL圖像顯示由{111}八面體面引起的矩形生長結構，雜質丰度和生長條件的差異常會在寶石的生長模式、內部區域、熒光以及CL強度方面上產生顯著差異。有些鑽石由於溶解和塑性變形而呈現非常複雜的圖像。這些圖像對於每顆鑽石都是獨特的，而且可用於鑒別某些特殊鑽石。

合成鑽石的CL圖像具有較強地可預測性。它們呈現清晰的分區，有經驗的操作人員可以通過這些圖像來識別原石晶體的結晶學特徵。

光致發光分析（PL） 此種光譜技術利用紫外或可見光區的激光激發，來探究某些點缺陷。自2000年起，它已經成為寶石實驗室研究HPHT處理的一個重要手段。天然鑽石中，PL分析能夠揭示由各種點缺陷、含氮缺陷及其它未知缺陷引起的特徵峰。相反的，在HPHT合成鑽石中，PL分析能夠揭示與金屬熔劑，如鎳等有關的缺陷引起的峰。

寶石學觀察 利用寶石顯微鏡對天然小顆粒（melee級）黃色鑽石的包裹體進行了觀察。大部分出現了定向排列的閃耀著黑色光澤的針狀包體以及具有很高反光率的片狀包體，這些均為天然鑽石的特徵包體。可能是石墨或硫化物。半數以上的鑽石樣品中出現了由細小包體組成的雲狀物，也可以作為天然成因的證據。這些成群的小白點有時會呈現縹緲的外觀。

然而，我們也觀察到了指示HPHT合成小顆粒（melee級）黃色鑽石的特徵。大部分會出現出現了針點狀包體。與天然鑽石中的雲狀物的點狀包體相比，它們呈圓形，在合成鑽石中單獨地隨機分布。還有一部分出現有金屬包體，這足以證明其屬HPHT合成。還有一部分內部還出現了「麵包渣」狀包體。金屬包體和「麵包渣」狀包體是在晶體生長過程中被捕獲的固相金屬觸媒，常見於HPHT合成鑽石中。

紅外光譜 多數天然小顆粒（melee級）黃色鑽石（~70%）為Ⅰa型鑽石，氮含量較高；出現了B心（峰位於1332、1175、1010和775cm-1的寬吸收帶）及platelets（1365cm-1）的吸收。許多樣品在1045 cm-1出現了與氫有關吸收或在3500-3100 cm-1區域內與H有關的特徵譜線（圖11）。另外，1430 cm-1出現了C-N的吸收峰。顯示如此吸收特徵的鑽石應屬天然成因。

HPHT合成小顆粒（melee級）黃色鑽石具有合成特徵包體，僅出現了C心吸收（也就是孤氮取代，1344和1130 cm-1，見下圖）。天然鑽石中，僅顯示C心吸收的純凈Ⅰb型鑽石十分罕見，所以紅外光譜檢測可以認定這些樣品是合成品。

光致發光觀察 首飾中的鑽石，紅外光譜證實為天然者，通常呈現微弱的雲狀橙黃-黃色熒光，以及遵循八面體{111}生長樣式的方形結構分區，這二者均屬於天然鑽石的特徵。然而，某些鑽石出現不規則的生長模式或不特徵的CL圖像。例如，複雜的結構可能表明其天然成因，但是很難解釋其生長過程。不特徵的CL圖像將無助於分辨天然或合成鑽石。

大多數紅外光譜中同時出現弱A心及C心的樣品還出現了直線狀的CL樣式。這種線狀樣式呈綠-黃色熒光，由H3心引起。每條熒光線都平行於八面體面並互相交叉。黃色鑽石中出現的這種線狀樣式與塑性變形有關，並且能夠指示天然。

紅外光譜中僅出現了C心的樣品呈現合成鑽石的生長分帶模式。其中，圖像由{100}立方體和八面體生長區域組合而成。此種樣品的典型CL圖像為綠-黃色立方體區和惰性的八面體區的組合。在這之上，還常會出現發藍-白熒光的斑塊，如{110}或{113}面。另外，少數樣品八面體區呈橙-黃色熒光，而立方體區則為惰性。

CL圖像所見的發光強度通常強於紫外輻射，但顏色相同。然而，與紫外輻射相比，Cl較低的穿透能力，可能會導致不同的發光圖像及熒光。

討論

黃色melee級合成鑽石的裸石或鑲嵌首飾，自2005起就已有記錄。

目前，實驗室送檢的鑽石中發現了合成鑽石，對實驗室來說非同尋常，而且這與早已泛濫於珠寶市場的合成鑽石也不盡相同。

實驗室對melee級黃色鑽石的檢測分三個步驟進行：

1. 所有樣品均要經過寶石顯微鏡的放大檢查，研究其內部包裹體。

2. 所有樣品均要經過顯微紅外光譜的分析。

3. 成因仍不確定者利用CL進一步檢測。

第一步，尋找一些特徵包體，比如天然鑽石中的定向排列的針狀包體以及簇狀的雲狀物，而合成鑽石中常見隨機分布的針點狀包體。金屬包體的出現則可以作為合成鑽石的依據。

第二步，紅外顯微鏡的應用使我們能夠在一次檢測中同時分析數顆melee級裸鑽，亦可用於普通紅外光譜儀無法檢測的鑲嵌首飾樣品。樣品觀察在電腦監視器上進行，並且在幾秒鐘之內即可對每個樣品類型分別進行區分。B心或platelets，以及與氫有關的特徵吸收的出現可以作為天然鑽石證據。而僅存在C心（即孤氮取代）則有可能是合成品。

第三步，天然鑽石的CL圖像通過平行八面體面的矩形條帶或相互交叉的滑移帶來鑒別，前者見於Ⅰa型，而後者則屬於Ⅰb型。相比之下，HPHT合成鑽石則出現八面體和立方體組合的生長樣式。

許多合成鑽石的CL圖像中，原石晶體中心處於或接近切磨樣品的檯面中心。這就意味著此種melee級鑽石並非取自大塊原石的碎片，而是由小顆粒合成鑽石晶體切磨而來。

採用這個檢測流程，我們能夠快速鑒別大多數天然或合成melee級鑽石，裸鑽大約僅需要幾分鐘。而利用顯微紅外光譜儀檢測鑲嵌類首飾需要稍長的時間來對每個樣品作定位和聚焦，然而一款鑲有10顆melee的首飾的檢測約30分鐘內即可完成。當然天然鑽石是否經過處理亦需要時間鑒定，但不再本文範疇之內。

結論

諸如黃色、藍色及粉色等多種顏色合成鑽石已有少量在市場上進行流通了，目前本實驗室鑒別出來的合成鑽石屬於HPHT法生長，可以通過常規寶石學檢測、高級光譜技術及光致發光圖像技術來鑒定。

隨著首飾中越來越多的melee級黃色合成鑽石與天然鑽石混鑲在一起，其鑒別已經成為一個挑戰擺在寶石鑒定者面前。本文所述的三步鑒定流程——顯微鏡的放大檢查、顯微紅外光譜以及陰極發光——對於最終區分天然和合成鑽石是有效可行地。

圖1.來自查塔姆公司的合成鑽石，用於說明黃色HPHT合成鑽石。許多黃色合成鑽石與由加利福尼亞的Alan Friedman,Beverly Hills提供的戒指上鑲嵌的天然鑽石在顏色和亮度上都極其相似。合成裸鑽質量0.05-0.30ct；戒指中間的Fancy深黃色鑽石重1.09ct，93顆黃色碎鑽總重1.12ct。

圖4.研究中對一些鑲嵌首飾的黃色melee作了檢測。儘管大多數為天然鑽石，但大約有半數的被檢測首飾中發現有HPHT生長的鑽石（紅色箭頭標註）。

圖5. Shimadzu IR Prestige-21型紅外光譜儀與Shimadzu AIM-8800紅外顯微鏡（左）結合使用，用於分析鑲嵌首飾中的melee級小鑽石。利用監視器確認分析定位，這個設備可以對小樣品進行微區的紅外光譜分析（右）。

圖6. 許多天然鑽石出現定向排列的針狀包體（左），而天然黃色Ⅰb型鑽石常見具有高反光率的片狀包體（右）。65×。

圖7.天然鑽石常見雲霧狀的細小包體（左），在某些鑽石形成縹緲狀外觀（右）。35×。

圖8.分散狀的小白點包體指示這顆黃色樣品為合成鑽石。65×。

圖9.HPHT合成鑽石的又一特徵為固態金屬觸媒，在一些樣品中呈不規則狀（左），而其他則形狀規則。65×。

圖10.「麵包渣」狀金屬觸媒包體可以明確指示該樣品為合成。65×。

圖11.這張中紅外光譜圖顯示了3種天然鑽石和合成鑽石的圖譜。黑色譜線為天然鑽石，主要基團ⅠaA吸收峰為1282，1215和1096 cm-1；微弱的ⅠaB基團在1365 cm-1有尖銳的吸收峰；1430 cm-1出現了C-N的吸收峰。值得注意是在4496 cm-1、3307-2786 cm-1及1405 cm-1出現與H有關的特徵吸收。藍色譜線為Ⅰb+ⅠaA型天然鑽石。紅色譜線為純凈的Ⅰb型合成鑽石，特徵吸收帶為1344、1130和（較弱）~1282、1100及1050 cm-1。

圖12.這個CL圖像顯示了天然鑽石特徵的的遵循八面體{111}生長樣式的方形結構，以及在其生長過程中所經歷的變化。左圖這顆0.15ct鑽石內部顯示了圓弧狀、不規則狀生長樣式，表明其在結晶過程中存在熔蝕。右圖戒指上鑲嵌的0.10ct鑽石顯示了之字形生長，這是由小的台階狀{111}面所致。

圖13.一些樣品出現了不規則或模糊的CL圖像。樣品中心的分區平行於八面體面，表明其為天然成因（左）。而如右突所示的不特徵的CL圖像無助於區分天然和合成鑽石。20×。

圖14.兩個黃色melee鑽石的圖像均顯示由塑性變形引起的平行於{111}面的線狀滑移帶，指示其天然成因。黃綠色生長紋是由H3心導致的。20×。

圖15.CL圖像確認這兩顆黃色melee鑽石（左為裸石，右為項墜上鑲嵌）均為合成品。大多數合成樣品都出現了由立方體區（黃綠色）和八面體區（惰性）構成的十字生長樣式，這種分區結構與天然鑽石截然不同。20×（左），18×（右）。

圖16.一些和合成鑽石的CL圖像顯示了藍白色的菱形十二面體面{110}和/或三八面體面{113}（左）。其他合成鑽石的三摺疊CL圖像呈現了立方體生長區；另形十二面體面{110}呈弱的藍-白色（右）。20×（左），18×（右）。

圖17.這顆合成鑽石的裸石呈現特徵的十字形樣式。橙-黃色和惰性區域分別為八面體面區和立方體區。20×。

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