鑑定CVD合成鑽石新方法──GemPen®

2021-10-14

1952年，美國聯合碳化物公司(Union Carbide)的William G. Eversole成功在低壓環境下製造鑽石。在21世紀初期，科學家將微波法導入CVD製成微波電漿化學氣相沉積法(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition, MPCVD)，大幅提升CVD合成單晶鑽石的速度與數量，也同時降低CVD鑽石的成本。

MPCVD的原理是先在真空腔中通入甲烷、氫氣，再開啟微波產生器以產生電漿球，電漿球的溫度約在1-2000 度，所以能讓甲烷解離產生碳離子與氫離子，碳離子會在鑽石晶種表面沉積，同時間形成SP2鍵結(石墨)與SP3鍵結(鑽石)，與此同時，氫離子會將碳離子帶離鑽石晶種表面，只是氫離子分離石墨的速度高於鑽石，所以鑽石晶種表面易沉積鑽石(圖一)。

圖一、CVD合成鑽石。

合成鑽石與天然鑽石都是由碳組成，有相同的結晶構造、物理和化學特性，除非店家特別說明或鑽石上有明顯特徵，例如LIGHTBOX販售的CVD合成鑽石，在鑽石內部有肉眼不可視的雷射刻字符號(圖二)，否則在沒有鑑定儀器輔助下很難辨別(圖三)。

圖二、大於0.2克拉以上的LIGHTBOX內部有肉眼不可見的永久標誌。

圖三、天然鑽石與合成鑽石不容易分辨。(A)為天然鑽石，(B)為CVD合成鑽石。

鑑定合成鑽石常見的儀器有光致發光光譜儀和DiamondView等，大多都不便攜帶。近年來，Gemometrics AB開發出一種方便快速的新儀器──GemPen^®，以電池供電、便攜性高，可協助鑑定師初步分辨為天然或合成鑽石(圖四)。

圖四、GemPen^® Diamond Screener。

圖片來源：https://gemometrics.com/product/gempen/

GemPen^®利用鑽石照射紫外線會產生螢光和磷光的特性，區別天然和合成鑽石。鑽石吸收外來光源的能量後，進入激發態，再退回基態放射出波長較長的光就稱為螢光，有些寶石在關閉外來光源後，仍持續發光就稱為磷光。

GemPen^®內附有四種濾鏡，產生四種波段的紫外光，檢測鑽石會用到Filter 1和Filter 4濾鏡產生的兩種波段，藉由比對螢光的顏色和有無磷光反應判斷是否為天然鑽石。天然鑽石在GemPen^®經Filter 1和Filter 4的波段照射下，會呈現無螢光或藍色螢光，且無磷光；CVD合成鑽石會呈現各式各樣的螢光顏色(圖五)，合成鑽石被Filter 1波段照射下產生的螢光強度大於Filter 4，且帶有磷光。

圖五、CVD合成鑽石有橘紅色和綠色等，各種顏色的螢光。

本文以圖三的鑽石為例，在Filter 1的波段照射下有明顯的不同，天然鑽石的螢光反應微弱到可判斷為無螢光，但CVD合成鑽石有明顯的綠藍色螢光和磷光，如圖六。在Filter 4下天然鑽石與Filter 1相同都是很微弱的螢光，CVD合成鑽石無螢光，如圖七。

圖六、天然與CVD合成鑽石在Filter 1下有不同的螢光反應。(A)為天然鑽石，無螢光和磷光；(B)為CVD合成鑽石，有強綠藍色螢光，也有磷光反應。

圖七、天然與CVD合成鑽石在Filter 4下的反應。(A)天然鑽石，有微弱螢光；(B)CVD合成鑽石無螢光。

GemPen^®分辨天然鑽石及CVD合成鑽石的標準是，天然鑽石無或弱螢光；CVD合成鑽石有螢光及磷光。本文實測結果是天然鑽石呈無或弱螢光；CVD合成鑽石有藍綠色螢光和磷光，且Filter 1波段的螢光反應強於Filter 4波段。GemPen^®確實可用來快速判斷天然鑽石與CVD合成鑽石，只是要注意並不是單一儀器就能百分之百下定論，遇到有疑慮的鑽石時，最好能多方檢測。

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