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珠寶常識(shí)
黃色CVD合成鉆石
寶石級(jí)的CVD合成鉆石通常為IIa型，偶見IaA型。此外，十多年前曾報(bào)道過一顆直徑3mm的刻面Ib型黃色CVD合成鉆石 (J.E. Butler, “Chemical vapor deposited diamond: Maturity and diversity,” Interface, Spring 2003, pp. 22–26)。據(jù)我們所知，從那以后還沒有寶石級(jí)的Ib型CVD合成鉆石的記錄。
紐約實(shí)驗(yàn)室最近檢測(cè)了這樣一顆樣品。這顆彩黃色、方形刻面的Ib型CVD合成鉆石重0.40克拉，大小為4.20 × 4.12 × 2.55 mm（圖1）。
圖1.這顆0.40克拉、方形刻面的Ib型CVD合成鉆石，顏色級(jí)別被評(píng)為彩黃（Fancy yellow）。照片由Sood Oil (Judy) Chia拍攝。
在這顆樣品中檢測(cè)到CVD合成鉆石中典型的強(qiáng)硅-空穴([Si-V]–)心，在633nm激發(fā)的PL光譜中位于736.5和736.9nm 處。
和1344 cm–1 處的峰顯示了孤氮原子(Ns0)對(duì)碳原子的替代 (圖2)。氮是造成黃色的原因。通過對(duì)樣品在中紅外光譜1000cm–1–1范圍的吸收進(jìn)行計(jì)算，氮含量為4.5ppm。–1400 cm
和1344 cm–1）。測(cè)得鉆石的拉曼峰位于1331 cm–1。還檢測(cè)到3107 cm–1處與氫有關(guān)的吸收，以及位于2948, 2920, 2905, 2873, and 2849 cm–1與C-H有關(guān)的峰。另外還有未知的3030、 3032 cm–1雙峰。
在生長(zhǎng)過程中，氮可能是被無意混入，也可能是人為添加以控制單晶CVD合成鉆石的生長(zhǎng)速率。
DiamondView圖像顯示了彎曲的綠色紋理，說明生長(zhǎng)過程中存在條件變化（圖3，左）。DiamondView還展現(xiàn)了位于底尖附近的明顯的生長(zhǎng)現(xiàn)象，分別為綠色和綠藍(lán)色的區(qū)域（圖3，中）。顯微鏡下觀察到石墨化的壓力暈圈（圖3，右）和腰上的羽狀紋。正交偏光下可觀察到典型的CVD應(yīng)力——局部的“榻榻米”狀結(jié)構(gòu)和低應(yīng)力部位的顏色。
圖3. DiamondView發(fā)光圖像可見彎曲的綠色紋理，反映了生長(zhǎng)條件的變化（左）。在底尖附近可見綠色和藍(lán)綠色區(qū)域明顯的生長(zhǎng)現(xiàn)象（中）。顯微鏡下觀察到石墨化的應(yīng)力暈圈(右，放大112.5倍)。另外還在腰圍上觀察到小的羽狀紋（未展示）。圖片由Kyaw Soe Moe拍攝。
證據(jù)表明這顆樣品合成后經(jīng)過了后期處理：3107 cm–1 處是與氫有關(guān)的峰，而C-H有關(guān)的峰位于2948, 2920, 2905, 2873, 和 2849 cm–1（圖2）。我們并沒有發(fā)現(xiàn)位于3123 cm–1的中性的氮空穴-氫復(fù)合心([N-V-H]0)。這些結(jié)果指示了樣品經(jīng)過高溫高壓處理。還檢測(cè)到位于3030–3032 cm–1 的未知雙峰。用514nm 激光源PL光譜檢測(cè)到強(qiáng)的N-V（氮-空穴）缺陷：575(NV0) 和637 (NV–) nm。在氮摻雜的單晶的CVD合成鉆石中，通常會(huì)含有負(fù)價(jià)的氮空穴-氫復(fù)合心([N-V-H]–)，但是它不穩(wěn)定。經(jīng)高溫高壓處理后，氫原子發(fā)生解離，形成C-H和and N-V心。
這顆樣品還檢測(cè)到其他缺陷，如H3和H2。經(jīng)高溫高壓處理的CVD合成鉆石可出現(xiàn)這兩個(gè)心。DiamondView 下觀察到的綠色位錯(cuò)就是由H3引起的。
CVD合成鉆石通常帶有不受歡迎的褐色調(diào)。可以通過高溫高壓處理獲得漂亮的黃色，正如這個(gè)樣品所展現(xiàn)的。
Ib型 CVD合成鉆石在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也受到關(guān)注，特別是在量子運(yùn)算方面（見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電子自旋可以作為量子運(yùn)算的基本單位，稱為“量子比特”。量子比特不局限于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制比特的“0” 或 “1”兩個(gè)狀態(tài)，而可以同時(shí)存在于二進(jìn)制兩端的狀態(tài)和介于兩端的所有中間狀態(tài)——雖然概念十分復(fù)雜，但它可以導(dǎo)致運(yùn)算能力的大幅提升。
P. Neumann在他2012的博士論文（Towards a room temperature solid state quantum processor: The nitrogen-vacancy center in diamond）中提到，他合成了微米級(jí)別的黃色I(xiàn)b型 CVD合成鉆石并進(jìn)行了后續(xù)的處理（電子束輻照及退火），使其產(chǎn)生NV心。經(jīng)輻照后，顏色由原先的黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，再退火后會(huì)變?yōu)樽戏凵?/span>
圖2.這顆黃色CVD合成鉆石的中紅外光譜顯示了孤氮原子的替代（Ns0 ，1130cm–1 ）， 中紅外光譜位于1130cm–1 。
資料來源：GEMS & GEMOLOGY, SUMMER 2014, VOL.50, NO. 2 作者Kyaw Soe Moe, Wuyi Wang, and Ulrika D’Haenens-Johansson
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