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、(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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