合成蓝钻的致色机理是怎样的？

按照传统的方式，得到一个一克拉的钻石需要挖掘 250 吨矿石，而彩色钻石所占比例不足千分之二。因此彩色钻石被称为“宝石中的王中王”、“世界最浓缩的财富”。蓝色是彩色钻石中较为稀少的颜色，高贵且美丽，为了得到自然界中少有的蓝钻，我们可以采用改色的方式得到理想的蓝钻。

目前合成钻石有两种方式，分别为HPHT高温高压法和CVD化学气相沉积法。HPHT法合成钻石单晶由GE公司于1955年首次提出，之后除GE公司外，日本住友、英国DeBeers、Gemesis也开始从事HPHT法合成钻石研究。1985年住友公司的合成钻石速度有突破性进步，实现了Ib钻石的商业生产，1990年住友公司合成Ib型钻石已可达到9ct。之后合成Ib型钻石大小不断被突破，2009年时DeBeers合成的Ib型钻石已达34.80ct。中国在1963年首次成功合成钻石，现已是世界合成钻合大国。1999年开始系统研究宝石级钻石合成，现已可生产出4.3mm无色IIa型和4mm蓝黑色IIb型钻石，另外3mmIb型钻石已可批量生产，还首次合成了高氮绿色钻石。

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HPHT法处理蓝色钻石的致色机制

HPHT法合成钻石近体形态主要为立方体与八面体的聚形。因为生长舱内充满空气，所以合成钻石多为Ib型黄—褐色钻石，颜色与天然Ib型艳黄色钻石非常像。要想得到HPHT合成蓝色钻石，只需要在生长舱内加入氮的吸收剂与硼即可。加入氮吸收剂后可以得到近无色的IIa型钻石，但这种无色钻石生长非常困难。且加入氮吸收剂生长出的无色钻石可以检测到很少的（几ppm）的孤原子氮，表现为在紫外区270nm处的吸收。将B元素加入钻石，用氮吸收剂去除多数氮之后，钻石就可以呈现出非常浓艳的蓝色。

钻石的HPHT改色处理历史已经非常悠久。二十世纪七十年代，宝石学家发现在HPHT条件下，I型钻石中的氮元素会发生聚集或分解，从而可以导致黄颜色的减弱与增强。但因为处理的工艺条件没有探索出来，在当时没有投入商业化的生产。20世纪90年代，GE公司成功将IIa棕色钻石处理成了无色。20世纪90年代末，HPHT处理钻石开始在贸易市场上出现。在此基础上，宝石学家成功地通过HPHT高温高压处理，将II型褐粉色和灰蓝色钻石处理成了粉色和蓝色。

HTHP法可将IIa型褐色钻石处理成无色的钻石

HPHT处理钻石颜色发生改变的原因主要是由于褐色或灰色的钻石常伴随着塑性变形，在滑移面附近有一个高浓度的断键。当这些钻石在合成钻石生长的温度压强条件下，滑移面的一些破裂处可能会开始愈合，愈合便会导致对相应可见光的吸收减弱，钻石变为无色。塑性变形恢复的同时会导致一部分空穴和间隙被释放。被释放的空穴会发生移动，与不同形式的氮结合产生新的色心，钻石便会呈现不同的颜色。由此推断，HPHT处理蓝色钻石是因为HPHT高温高压条件使得钻石内导致灰色的塑性缺陷消失，从而产生了纯蓝色。

HPHT合成的蓝色钻石硼元素含量较高，而天然蓝色钻石中的硼含量不会超过0.5ppm。并且硼元素的分布依生长区不同而不同，在八面体生长区含量最高，四面体生长区最低。这导致了肉眼可见的蓝色分布不均。此外在合成蓝色钻石加入硼元素时，会不可避免的加入元素氮，氮元素会导致蓝区吸收增强，黄绿区透过增加，最终可能导致合成的蓝色钻石带有绿色调。

图为含有一种称作铁方镁石深色内含物的含硼蓝色钻石

摄影：Evan M. Smith（埃文·M.·史密斯）

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CVD法处理蓝色钻石的致色机制

1956年前苏联科学家首次尝试CVD法合成钻石。20世纪80年代，日本将CVD合成钻石速度提高至1μm/h，当时的CVD法主要用于生产钻石膜。2003年后，CVD合成钻石大小和净度大幅度提高。美国Apollo公司已将少量小于1ct的CVD钻石投入市场。美国Camegie Institution of Washington（华盛顿卡耐基研究所地球物理实验室）用一周时间合成出10ct宝石级钻石。中国对于CVD法合成钻石的研究还处于初级阶段。目前采用CVD法合成首饰用钻的厂家主要有Apollo与Gemesis两家。Apollo主要产品为IIa褐色、无色-近无色钻石，少量IIb型蓝钻，个别IIa粉钻。Gemesis主要销售无色-近无色IIa型钻石。

由湖州中芯半导体科技有限公司生产的CVD蓝色钻石

与常见的HPHT合成方法不同，CVD法合成钻石是在相当于十分之一大气压的低压下通过分解含碳气体合成钻石的方法。将含碳气体分解为等离子体的方法很多，最常用的是在高温微波下进行。CVD合成蓝色钻石同样是在合成过程中排除原料、设备中的氮，而后加入硼元素，造成了红光到蓝光逐渐减弱的吸收导致钻石呈现蓝色。CVD合成钻石紫外灯下可发桔色荧光，光致发光下有596nm、597nm双峰。DiamondView下可见贝壳状或平行状纹理，紫外可见光吸收光谱中可见672nm硅元素的吸收峰。CVD法合成蓝色钻石红外吸光区可见硼元素的吸收峰，光致发光下蓝区有宽发光带，DiamondView下发蓝色荧光，生长结构特征与基座表面形态有关。

实验室培育钻石的出现是科技发展对人类珠宝首饰进程的一次重大参与，从此优质钻石不用再依靠地下采矿，而是可以借助高科技生长而来，彩色钻石也不再一钻难求，人类珠宝首饰历史注定将因此得到改写。

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