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黄色CVD合成钻石

 
 
宝石级的CVD合成钻石通常为IIa型,偶见IaA型。此外,十多年前曾报道过一颗直径3mm的刻面Ib型黄色CVD合成钻石 (J.E. Butler, “Chemical vapor deposited diamond: Maturity and diversity,” Interface, Spring 2003, pp. 22–26)。据我们所知,从那以后还没有宝石级的Ib型CVD合成钻石的记录。
纽约实验室最近检测了这样一颗样品。这颗彩黄色、方形刻面的Ib型CVD合成钻石重0.40克拉,大小为4.20 × 4.12 × 2.55 mm(图1)。
 
图1.这颗0.40克拉、方形刻面的Ib型CVD合成钻石,颜色级别被评为彩黄(Fancy yellow)。照片由Sood Oil (Judy) Chia拍摄。 
 
   在这颗样品中检测到CVD合成钻石中典型的强硅-空穴([Si-V])心,在633nm激发的PL光谱中位于736.5和736.9nm 处。
1344 cm–1 处的峰显示了孤氮原子(Ns0)对碳原子的替代 (2)。氮是造黄色的原因。通过对样品在中红外光谱1000cm–1–1范围的吸收进行计算,氮含量为4.5ppm–1400 cm

 

 

 
1344 cm–1)。测得钻石的拉曼峰位于1331 cm–1。还检测到3107 cm–1处与氢有关的吸收,以及位于2948, 2920, 2905, 2873, and 2849 cm–1C-H有关的峰。另外还有未知的3030、 3032 cm–1双峰。  

 

 

 
   在生长过程中,氮可能是被无意混入,也可能是人为添加以控制单晶CVD合成钻石的生长速率。
    DiamondView图像显示了弯曲的绿色纹理,说明生长过程中存在条件变化(图3,左)。DiamondView还展现了位于底尖附近的明显的生长现象,分别为绿色和绿蓝色的区域(图3,中)。显微镜下观察到石墨化的压力晕圈(图3,右)和腰上的羽状纹。正交偏光下可观察到典型的CVD应力——局部的“榻榻米”状结构和低应力部位的颜色。
 
图3. DiamondView发光图像可见弯曲的绿色纹理,反映了生长条件的变化(左)。在底尖附近可见绿色和蓝绿色区域明显的生长现象(中)。显微镜下观察到石墨化的应力晕圈(右,放大112.5倍)。另外还在腰围上观察到小的羽状纹(未展示)。图片由Kyaw Soe Moe拍摄。  
 
   证据表明这颗样品合成后经过了后期处理:3107 cm–1 处是与氢有关的峰,而C-H有关的峰位于2948, 2920, 2905, 2873, 和 2849 cm–1(图2)。我们并没有发现位于3123 cm–1的中性的氮空穴-氢复合心([N-V-H]0)。这些结果指示了样品经过高温高压处理。还检测到位于3030–3032 cm–1 的未知双峰。用514nm 激光源PL光谱检测到强的N-V(氮-空穴)缺陷:575(NV0) 和637 (NV) nm。在氮掺杂的单晶的CVD合成钻石中,通常会含有负价的氮空穴-氢复合心([N-V-H]),但是它不稳定。经高温高压处理后,氢原子发生解离,形成C-H和and N-V心。
    这颗样品还检测到其他缺陷,如H3和H2。经高温高压处理的CVD合成钻石可出现这两个心。DiamondView 下观察到的绿色位错就是由H3引起的。
   CVD合成钻石通常带有不受欢迎的褐色调。可以通过高温高压处理获得漂亮的黄色,正如这个样品所展现的。
    Ib型 CVD合成钻石在技术应用领域也受到关注,特别是在量子运算方面(见E. Gibney, “Flawed to perfection: Ultra-pure synthetic diamonds offer advances in fields from quantum computing to cancer diagnostics,” Nature, Vol. 505, 2014, pp. 472–474)。
    N-V电子自旋可以作为量子运算的基本单位,称为“量子比特”。量子比特不局限于传统计算机中二进制比特的“0” 或 “1”两个状态,而可以同时存在于二进制两端的状态和介于两端的所有中间状态——虽然概念十分复杂,但它可以导致运算能力的大幅提升。
    P. Neumann在他2012的博士论文(Towards a room temperature solid state quantum processor: The nitrogen-vacancy center in diamond)中提到,他合成了微米级别的黄色Ib型 CVD合成钻石并进行了后续的处理(电子束辐照及退火),使其产生NV心。经辐照后,颜色由原先的黄色转变为绿色,再退火后会变为紫粉色。
 

 

图2.这颗黄色CVD合成钻石的中红外光谱显示了孤氮原子的替代(Ns0 ,1130cm–1 ),    中红外光谱位于1130cm–1 。
 
资料来源:GEMS & GEMOLOGY, SUMMER 2014, VOL.50, NO. 2        作者Kyaw Soe Moe, Wuyi Wang, and Ulrika D’Haenens-Johansson
 

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