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黃色CVD合成鑽石

 
 
寶石級的CVD合成鑽石通常為IIa型,偶見IaA型。此外,十多年前曾報道過一顆直徑3mm的刻面Ib型黃色CVD合成鑽石 (J.E. Butler, “Chemical vapor deposited diamond: Maturity and diversity,” Interface, Spring 2003, pp. 22–26)。據我們所知,從那以後還沒有寶石級的Ib型CVD合成鑽石的記錄。
紐約實驗室最近檢測了這樣一顆樣品。這顆彩黃色、方形刻面的Ib型CVD合成鑽石重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合成鑽石,顔色級别被評為彩黃(Fancy yellow)。照片由Sood Oil (Judy) Chia拍攝。 
 
   在這顆樣品中檢測到CVD合成鑽石中典型的強矽-空穴([Si-V])心,在633nm激發的PL光譜中位于736.5和736.9nm 處。
1344 cm–1 處的峰顯示了孤氮原子(Ns0)對碳原子的替代 (2)。氮是造黃色的原因。通過對樣品在中紅外光譜1000cm–1–1範圍的吸收進行計算,氮含量為4.5ppm–1400 cm

 

 

 
1344 cm–1)。測得鑽石的拉曼峰位于1331 cm–1。還檢測到3107 cm–1處與氫有關的吸收,以及位于2948, 2920, 2905, 2873, and 2849 cm–1C-H有關的峰。另外還有未知的3030、 3032 cm–1雙峰。  

 

 

 
   在生長過程中,氮可能是被無意混入,也可能是人為添加以控制單晶CVD合成鑽石的生長速率。
    DiamondView圖像顯示了彎曲的綠色紋理,說明生長過程中存在條件變化(圖3,左)。DiamondView還展現了位于底尖附近的明顯的生長現象,分别為綠色和綠藍色的區域(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應力——局部的“榻榻米”狀結構和低應力部位的顔色。
 
圖3. DiamondView發光圖像可見彎曲的綠色紋理,反映了生長條件的變化(左)。在底尖附近可見綠色和藍綠色區域明顯的生長現象(中)。顯微鏡下觀察到石墨化的應力暈圈(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。  
 
   證據表明這顆樣品合成後經過了後期處理:3107 cm–1 處是與氫有關的峰,而C-H有關的峰位于2948, 2920, 2905, 2873, 和 2849 cm–1(圖2)。我們并沒有發現位于3123 cm–1的中性的氮空穴-氫複合心([N-V-H]0)。這些結果指示了樣品經過高溫高壓處理。還檢測到位于3030–3032 cm–1 的未知雙峰。用514nm 激光源PL光譜檢測到強的N-V(氮-空穴)缺陷:575(NV0) 和637 (NV) nm。在氮摻雜的單晶的CVD合成鑽石中,通常會含有負價的氮空穴-氫複合心([N-V-H]),但是它不穩定。經高溫高壓處理後,氫原子發生解離,形成C-H和and N-V心。
    這顆樣品還檢測到其他缺陷,如H3和H2。經高溫高壓處理的CVD合成鑽石可出現這兩個心。DiamondView 下觀察到的綠色位錯就是由H3引起的。
   CVD合成鑽石通常帶有不受歡迎的褐色調。可以通過高溫高壓處理獲得漂亮的黃色,正如這個樣品所展現的。
    Ib型 CVD合成鑽石在技術應用領域也受到關注,特别是在量子運算方面(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算的基本單位,稱為“量子比特”。量子比特不局限于傳統計算機中二進制比特的“0” 或 “1”兩個狀态,而可以同時存在于二進制兩端的狀态和介于兩端的所有中間狀态——雖然概念十分複雜,但它可以導緻運算能力的大幅提升。
    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,他合成了微米級别的黃色Ib型 CVD合成鑽石并進行了後續的處理(電子束輻照及退火),使其産生NV心。經輻照後,顔色由原先的黃色轉變為綠色,再退火後會變為紫粉色。
 

 

圖2.這顆黃色CVD合成鑽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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