天然鑽石與合成鑽石如何區別

近些年，寶石級合成鑽石比以往更加常見，消費者難免會擔心所買鑽石的真假，以及寶石學家或珠寶鑒定所是否能夠對其予以鑒定。

有別於鑽石仿製品，如合成立方氧化鋯或合成碳硅石，兩者只是看起來像鑽石，但具有截然不同的化學和物理特性，易於區分。

而合成鑽石的化學和物理特性與天然鑽石非常接近，相比而言更難鑒別。為了準確的區分天然與合成鑽石，GIA 在過去 30 年裡對合成鑽石的製作及鑒定方法進行了廣泛而深入的研究。

左：天然鑽石顏色；中：處理后的天然鑽石顏色 ；右：處理后的合成鑽石顏色

為此，GIA建立了一個大型資料庫，裡面包含有關各類型鑽石的寶石學特徵信息，利用該資料庫可以有效的鑒別天然、合成以及經處理的鑽石。那麼合成鑽石究竟該如何鑒定呢，一起看看吧。

鑽石的分類

要想區分天然與合成鑽石，首先需要了解鑽石是如何分類的：根據鑽石有無氮原子，鑽石可分為 I型和 II 型鑽石，I 型鑽石含有雜質氮原子，而 II型鑽石則沒有。

C = 碳原子，N = 氮原子，B = 硼原子。

根據氮原子的聚集狀態，I 型鑽石可進一步分為Ia 型鑽石和 Ib 型鑽石， Ia 型鑽石中氮原子呈聚集狀態，Ib 型鑽石中氮原子呈孤氮分佈。

根據有無其他雜質原子，II型鑽石可進一步分為IIa型鑽石和 IIb 型鑽石，IIa 型鑽石不含其他雜質元素，IIb 型鑽石常含硼原子。

天然與合成鑽石生長過程的區別

天然鑽石在一系列溫度和壓力條件下生長。其溫度比生長合成鑽石所用的溫度更高。 在高溫下，鑽石生長為八面體晶體，但在較低的實驗室溫度下，它們生長為同時包含八面體和立方體晶面的晶體。

天然鑽石的漫長生長時間意味著，大多數鑽石中的氮雜質必須經過一段時間進行聚集，以成對或成群出現，從而形成大部分，即 95% 以上的 Ia 型鑽石。

合成鑽石的生長周期非常短，只需要數周至一個月或更久，條件與地球深處的天然鑽石形成條件不同。 由於生長期非常短，合成鑽石晶體的形狀與天然鑽石有很大不同。

天然鑽石晶體（左）顯示典型的圓形八面體形狀。 火山爆發構成了金伯利岩管（中），從而將這些晶體帶到表面。 天然寶石級鑽石的理想晶體形狀是八面體（右）。

鑽石的合成方法

傳統的合成方法，稱為高溫高壓 (HPHT) 法，涉及利用鐵 (Fe)、鎳 (Ni) 或鈷 (Co) 等熔融的金屬合金形成鑽石。較新的方法，稱為化學蒸氣沉澱法 (CVD) 或低壓高溫 (LPHT) 法，涉及從真空室內的氣體形成鑽石。在兩種方法中，都是使用鑽石晶體或板塊被用作晶種，以開始合成。

高溫高壓合成鑽石

高溫高壓 (HPHT) 鑽石生長發生在裝置內的一個小艙室里，該裝置能夠產生非常高的壓力。 在艙室內，鑽石粉末原料溶解在熔融的金屬助熔劑中，然後在晶種上結晶，以形成合成鑽石晶體。 結晶過程需要數周至一個月或更長時間，以形成一個或幾個晶體。

除了八面體表面，HPHT 合成鑽石晶體通常還會顯示立方體表面。由於天然和 HPHT 合成鑽石晶體的形狀不同，它們的內部生長模式也大不相同。這些生長模式可能是將其區分的最可靠方法之一。

打磨后的刻面合成鑽石通常會展示出一些可見特徵，例如顏色分佈、熒光分區和孿晶紋，這都與它們的十字形生長區結構有關，偶爾還會顯示有深色的金屬助熔劑內含物。 某些情況下，在關閉紫外線燈后，材料可以持續性地發光，即磷光現象。 這些合成鑽石可以通過專業鑒定技術（比如可見光和熒光光譜）來進行可靠鑒定。

大多數 HPHT 生長晶體呈黃色、橙黃色或褐黃色。 幾乎所有均為 IIb 型，該類型在天然鑽石中非常稀少。

製造無色 HPHT 合成鑽石非常具有挑戰性，因為需要修改生長條件和設備，以排除氮。 此外，高純度無色鑽石（IIa 型或較弱的 IIb 型）的生長率比 Ib 型合成鑽石的生長率低，因此在溫度和壓力條件下需要更長的生長時間和更大的控制。 雖然生長優質無色 HPHT 晶體一直都很困難，但最新發展技術已經能製造出用於超過 10 克拉的鑽石晶體。

藍色合成鑽石的出現是因為在鑽石生長過程中添加了硼。 其他顏色，例如粉紅色和紅色，可通過寶石後期生長處理工藝（包括輻射和加熱）來產生，但較不常見。

在高溫高壓合成中，壓力機（左）對包含必要成分的中間生長室應用極高的壓力和溫度。 這便產生了立方體和八面體表面（中和右）相結合的合成鑽石晶體。

CVD 法合成鑽石

CVD 鑽石生長在填充有含碳氣體（如甲烷）的真空室內進行。 能量源（如微波束）分解氣體分子，碳原子向下吸附到扁平的鑽石排種盤中。 結晶過程需要數周時間，以同時形成多個晶體。 確切的數量取決於真空室的尺寸和排種盤的數量。板狀晶體通常帶有粗糙的黑色石墨邊緣。 它們常常還會顯示為褐色，在進行寶石刻面的步驟之前，通過熱處理可去除該顏色。

市場上常見的寶石級CVD法合成鑽石（0.22 至 0.31 克拉）。

大多數 CVD 晶體都呈褐色或灰色，但如果將微量的氮或硼引入到真空室中，也能產生黃色、粉紅橙色或藍色的晶體。 採用這種方法製造無色晶體則更容易，但晶體生長的時間要更長。目前市場上銷售的大多數 CVD 生長的無色鑽石都被認為是已經過高溫高壓熱鍛脫色處理的褐色晶體。 最常見的 CVD 合成鑽石是 IIa 型。

與 HPHT 生長的材料相比，CVD 合成鑽石表現出不同的寶石性質。 當被放在交叉偏振濾光鏡之間觀察時，它們往往呈現有色帶狀的「應力」圖案，且凈度很高，只有少量深色的碳內含物（若有）。

在化學蒸氣沉澱法 (CVD) 合成中，富含碳的氣體在平坦的鑽石晶種表面沉積，從而形成合成鑽石。 合成鑽石在薄層中生長，其最終厚度取決於允許生長的時間（左）。 這便產生了扁平的板狀晶體（中和右），外部帶有黑色石墨晶體塗層。

與 HPHT 合成一樣，CVD 合成不斷改善，允許製造商提供更大尺寸和經過改善的顏色與透明度。GIA 近期對兩顆重量為2.51 和 3.23 克拉的大尺寸 CVD 合成鑽石進行檢測，這是迄今為止檢測的最大的 CVD 生長鑽石。

理想化晶體（從左至右）：CVD 合成品、HPHT 合成品和天然鑽石。 八面體表面顯示為黃色，立方體表面為藍色。 大部分天然鑽石生長為八面體（右），但 HPHT 合成品（中）通常顯示立方體和八面體表面的結合。 CVD 合成品（左）中完全沒有八面體表面。 晶體生長的方向如箭頭所示。 虛線代表 HPHT 合成鑽石中晶種的位置和 CVD 合成品中晶體的邊緣。

天然與合成鑽石的鑒別

在過去的幾年中，越來越多的公司開始生產用於珠寶的合成鑽石。 他們不斷改善凈度和顏色，並提高克拉重量。 考慮到新聞報道中出現的大量合成鑽石，GIA 僅遇到少量合成鑽石，顯然是在不知情的情況下提交給 GIA 出分級證書的。

為了鑒定各種類型的寶石原料，訓練有素的寶石學家使用多種寶石檢測設備，包括折射儀、紫外熒光燈、雙目顯微鏡、偏光器及其他檢測工具。由於合成鑽石的質量逐漸提高，使用標準設備將其與天然鑽石區分開來變得更加具有挑戰性。

即使是訓練有素的寶石學家也可能無法識別合成鑽石，但 GIA 可以進行鑒定。

兩種合成鑽石的不同視覺特徵

在 GIA 的季度專業期刊《寶石與寶石學》(Gems & Gemology) 有關合成鑽石的文章中，已經對這些診斷特徵進行討論和描述。

這些視覺特徵是大部分合成鑽石所具有的特性，但並不是每個刻面合成鑽石都將表現出所有這些特徵。 例如，特定的合成鑽石可能不會顯示任何熒光。 因此，根據儘可能多的診斷特徵鑒定合成鑽石非常重要。

HPHT 生長彩色合成鑽石通常顯示不均勻的著色，使用顯微鏡可以在透射光下看到，如果需要，將切割的寶石浸泡在水或礦物油中可以減少表面反射。 這種顏色分區現象是由於雜質（如氮）在晶體合成時融入到合成鑽石晶體所致。有時，天然鑽石會表現出一些顏色分區，但不是 HPHT 合成鑽石中顯示的幾何圖案。

彩色 HPHT 合成鑽石中的顏色分區與不同晶體表面相對應，產生與天然鑽石晶體不同的圖案。 一些雜質元素尤其集中在生長方向。 標記 Ib 的區域包含分散的氮雜質，標記 IIb 的區域包含硼，無色區域 (IIa) 通常沒有雜質元素。 通常只有合成鑽石在相同晶體中顯示氮和硼雜質的混合物。

相比之下，CVD 合成鑽石一般顯示均勻的著色。HPHT 合成鑽石通常顯示固化助熔劑金屬的內含物，該內含物在透射光下呈黑色、不透明，但在反射光下呈現金屬光澤。 由於用於鑽石生長的助熔劑金屬合金通常包含鐵、鎳和鈷等元素，因此含有較大金屬內含物的合成鑽石可以通過磁鐵拾起。

高溫高壓合成鑽石通常顯示助熔劑金屬的內含物，該內含物在透射光下呈黑色、不透明，但在反射光下呈現金屬光澤。 在某些情況下，寶石中含有足夠多的鎳鐵 (Ni-Fe) 助熔劑內含物，可使寶石能夠被磁鐵吸引。

CVD 生長合成鑽石可通過不同方式形成，並且不含有金屬內含物。

一些天然鑽石包含石墨或一些其他礦物等深色內含物，但這些內含物不具有金屬光澤。

在兩個相互呈 90 度角的偏振濾光片之間檢查時，天然鑽石表現出明亮的交叉影線或干擾的馬賽克圖案或「應力」顏色。 這些干擾色是當鑽石在地球深處時或者在火山爆發而被帶到地球表面的過程中因鑽石受到壓力而出現的。 相比之下，合成鑽石生長在幾乎均勻的壓力環境下，不受到任何應力，因此以相同方式檢查時，它們不顯示應力圖案或弱帶狀應力圖案。

通常，合成鑽石的熒光也有助於進行鑒定，與長波紫外線燈相比，它在短波下更強，可以顯示不同的圖案。

高壓高溫合成鑽石在冠部或底部顯示十字形熒光圖案。

HPHT 合成鑽石的切割寶石冠部或底部往往會顯示十字形熒光圖案。 通過底部刻面觀察時，CVD 合成鑽石可能會顯示條紋圖案。典型的熒光色為綠色、黃綠色、黃色、橙色或紅色。

關閉紫外線燈后，合成鑽石可能會出現長達1 分鐘或更長時間的持續磷光。

GIA會使用一種名為DiamondView 的熒光成像儀器，用於檢查鑽石。 該儀器可以顯示鑽石晶體內部的生長模式特點。

藉助 DiamondView 成像系統（上），GIA 可以查看天然和合成鑽石的生長模式。 同軸生長模式（左）可識別該寶石為天然寶石，而十字形模式（中）是 HPHT 合成品的診斷依據。在這種圓形鑽石的中間部位看見的常規條紋（右）表明它是一種 CVD 生長合成。

珠寶業面臨的真正的鑒定挑戰是對非常微小的鑽石，或米粒鑽，進行檢測。 該材料成包出售，含有數百至數千顆小寶石，其中包括天然和合成鑽石。

這組 359 顆色彩濃烈的圓形黃鑽（0.02-0.03 克拉）是由 GIA 篩選出來的。 大部分是天然鑽石（左），14 顆為 HPHT 合成鑽石（中），還有一顆是經 HPHT 處理的天然鑽石（右）。 這些鑽石外觀一致，很難用肉眼區分。

為了幫助珠寶業解決該問題，GIA 最近開發了一種自動儀器，可檢測非常小的鑽石，並將在鑒定所推出新的檢測服務。

作為合成鑽石持續研究項目的一部分，GIA 最近建立了一個 CVD 生長實驗室，在該實驗室中，GIA能夠生產自己的合成鑽石，以用於研究。

GIA 的化學蒸氣沉澱法 (CVD) 鑽石生長實驗室

可以在真空室內看見不斷生長的合成鑽石晶體（左）。 生長完成後，晶體從真空室內移出（右）。 黑色的表面覆蓋著無色內部。

概括地說，現在可以提供越來越多的合成鑽石，用於製作珠寶。 基於 60 多年的研究，GIA 鑒定所可以鑒定許多寶石學家無法鑒定的合成鑽石。

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