1. Giới thiệu

Kích thước và chất lượng của kim cương tổng hợp CVD trên thị trường trang sức đã được cải thiện trong các năm qua và nhiều loại kim cương tổng hợp CVD có màu sắc khác nhau cũng đã được sản xuất. Thêm vào đó, kim cương CVD mầu lam kiểu IIb được tổng hợp theo kỹ thuật mọc chồng (overgrowth) lên một viên kim cương tự nhiên không màu đã được thực hiện nhằm mục đích tạo ra những màu sắc khác nhau (Moe và nnk, 2017; Ardon và nnk, 2019) và môt viên kim cương tự nhiên không mầu với một lớp tổng hợp CVD không màu đã được tạo ra theo kỹ thuật mọc chồng với mục đích tăng trọng lượng của nó cũng đã được công bố (Serov và nnk, 2017; Tan và nnk, 2018).

Sự xuất hiện của những viên kim cương tự nhiên có lớp ngoài là kim cương tổng hợp CVD hay còn được gọi là “kim cương lai” (hybrid diamond) đã tạo ra một thách thức mới đối với việc nhận dạng kim cương. Với bài viết này, chúng tôi đã “nuôi” một lớp CVD phủ ngoài trên nền một viên kim cương tự nhiên, với mục tiêu đạt được độ dày lớp phủ là 2000 μm (~2mm) và tiến hành các kiểm tra ngọc học sau khi cắt mài và đánh bóng để nghiên cứu khả năng mang lại lợi ích thương mại và nhận dạng ngọc học đối với những viên “kim cương lai” như vậy.

2. Vật liệu và phương pháp

Quá trình “nuôi” lớp phủ CVD và cắt/ đánh bóng được thực hiện tại công ty Diamond Elements Pvt. Ltd Ấn Độ, và các phép thử ngọc học được thực hiện tại Phòng Ngọc học Trung tâm (CGL), Nhật Bản.

Hai viên kim cương thô tự nhiên, không mầu rõ ràng, kiểu Ia, hình bát diện (1,570 ct và 1,049ct) được cắt ở giữa thành bốn tinh thể mầm. Quá trình “nuôi” lớp phủ ngoài CVD được thực hiện bằng việc sử dung hệ MP-CVD (Seki Technotron Corp., SDS6K) ở nhiệt độ 1050-1100°C, áp suất 150 Torr (1 Torr = 1/760 atm), với tốc độ nuôi 12 μm/giờ.

Để nuôi lớp phủ ngoài không mầu sao cho không bị khác biệt với mầm kim cương tự nhiên, cần phải kiểm soát nghiêm ngặt nhiệt độ xung quanh các tinh thể mầm đó. Một giá đỡ đặc biệt được thiết kế để “nuôi” lớp kim cương phủ ngoài đạt chất lượng như nhau trên cả 4 mẫu tinh thể mầm chỉ trong một lần nuôi.

Sau khi lớp phủ ngoài đạt tới độ dầy mục tiêu là 2000 μm, 3 trong số 4 viên kim cương được “nuôi” đã được mài và đánh bóng thành hình vuông kiểu kim cương cách điệu (hình 1). Những viên đá mài giác này đã được kiểm tra bằng các thiết bị ngọc học tiêu chuẩn như: quang phổ hấp thụ UV-Vis, quang phổ FTIR, quan sát dưới DiamondView^TM, quang phổ phát quang và thiết bị SYNTH detect của De Beers.

Hình 1. “Kim cương lai” từ trái qua: 0,494 ct; 0,391 ct; 0,607 ct (khi nuôi cấy xong) và 0,329 ct

3. Kết quả

Mẫu 1 nặng 0,494 ct, màu G, độ tinh khiết SI1 và độ dày lớp CVD là 1100-1200 μm. Mẫu 2 nặng 0,391 ct, màu H, độ tinh khiết I2 và độ dày lớp CVD là 660-910 μm. Các phần kim cương tự nhiên của mẫu 1 và mẫu 2 được cắt từ cùng một tinh thể thô.

Mẫu 3 nặng 0,329 ct, màu H, độ tinh khiết I2 và độ dày lớp CVD là 880-940 μm.

Các quan sát ngọc học tiêu chuẩn

Quan sát bằng kính hiển vi ngọc học cho thấy có các bao thể màu đen trong cả ba mẫu và đây là nguyên nhân chính ảnh hưởng đến độ tinh khiết của các viên đá. Một điều được khẳng định là những bao thể màu đen này nằm gần ranh giới giữa lớp phủ ngoài CVD và tinh thể mầm tự nhiên ở bên trong. Ngoài ra, các bao thể dạng chấm kim cũng thấy phân bố ở phần ranh giới này. Dưới ánh sáng phân cực vuông góc, hiện tượng giả dị hướng do ứng suất (strain birefringence) song song với mặt bát diện được đã quan sát thấy trong tinh thể mầm tự nhiên, và hiện tượng giả dị hướng do ứng suất giống như “bàn chải” thấy được trong lớp CVD phủ ngoài.

Trong mẫu 1 và 2, ranh giới giữa hạt tinh thể mầm và lớp tăng trưởng CVD được quan sát thấy tại vị trí thắt lưng (hình 2).

Hình 2. Ranh giới giữa mầm tinh thể tự nhiên và lớp phủ ngoài CVD

được quan sát khá rõ tại vị trí thắt lưng

Phổ hấp thụ UV-Vis

Hệ phổ hấp thụ N3 (415,2, 403,2, 394,4, 384 nm), N4 (344,2 nm), N5 (329,6 nm) và N6 (315 nm) được phát hiện ở cả ba mẫu trên trong phổ hấp thụ UV-Vis ở nhiệt độ nitơ lỏng. Tất cả các đỉnh hấp thụ này đều được cho là nằm trong nền kim cương tự nhiên. Đỉnh Si-V^– (đỉnh kép 737 nm) được Tang et al. (2018) công bố thì không phát hiện thấy.

Phổ FTIR

Phổ hồng ngoại từ toàn bộ viên đá được đo bằng cách đưa mặt bàn của viên kim cương tiếp xúc với gương phản xạ khuếch tán. Cả ba mẫu đều thể hiện đặc điểm phổ của kim cương kiểu Ia, gồm tâm A, tâm B, các đỉnh tiểu cầu và đỉnh liên quan với hydro.

DiamondView^TM

Khi quan sát từ mặt bàn, mẫu 1 và 2 cho thấy huỳnh quang màu lơ tối và hơi đỏ, tương ứng có thể bắt nguồn từ dải A và tâm NV. Huỳnh quang lơ tối và vàng-lục quan sát thấy trong mẫu 3. Sự phát quang màu vàng-lục được cho là do H3 từ vị trí mầm tinh thể tự nhiên xuyên lên vùng nóc của viên đá.

Quan sát từ phía đáy cho thấy huỳnh quang màu lơ, được cho là do N3, ở cả ba mẫu. Khi quan sát từ hướng thắt lưng thì rất khó thấy sự khác biệt về mầu huỳnh quang giữa tinh thể mầm tự nhiên và lớp CVD, nhưng lân quang màu lơ-trắng khá rõ lại quan sát thấy ở ranh giới giữa lớp CVD và tinh thể mầm kim cương tự nhiên.

Phổ phát quang

Phép đo quang phổ phát quang được thực hiện ở nhiệt độ nitơ lỏng bằng cách sử dụng các tia laser 457, 488, 514, 633 và 830 nm. Các phép đo được thực hiện tại một số điểm trên phía mặt bàn (lớp CVD) cũng như phía đáy (chất nền tự nhiên), nhưng không quan sát thấy sự khác biệt rõ ràng trong quang phổ phát quang. Chúng hiển thị cùng các đỉnh với cùng cường độ ở mỗi điểm. Các pic là N3 (415 nm), H4 (496 nm), H3 (503 nm), Si-V^– (đỉnh kép 737 nm), các đỉnh kép 596 nm, 597 nm, NV0 (575 nm) và NV- (637 nm). Ba đỉnh trước có thể là từ tinh thể mầm tự nhiên và các đỉnh sau là từ lớp tổng hợp CVD.

SYNTHdetect

Phía mặt bàn (lớp CVD), phía mặt đáy (mầm tinh thể tự nhiên) đã được kiểm tra bằng SYNTHdetect. Cả ba mẫu đều được đánh giá là “refer” (kiểm tra thêm) từ phía mặt bàn, nhưng mẫu 1 được đánh giá là “natural” (tự nhiên) từ phía đáy trong khi các mẫu còn lại là “refer”.

4. Kết luận

Kim cương tổng hợp CVD theo kỹ thuật mọc chồng lên mầm kim cương tự nhiên kiểu Ia. Để nuôi kim cương tổng hợp CVD có cùng màu với kim cương tự nhiên thì nhiệt độ nuôi xung quanh những viên kim cương tự nhiên được sử dụng làm mầm tinh thể phải được kiểm soát chính xác.

Nói chung, lớp tổng hợp phủ ngoài những viên kim cương nhỏ sẽ không mang lại lợi ích thương mại đáng kể, nhưng những tinh thể lớn sẽ mang tới một số lợi nhuận.

Vì những viên kim cương này chứa kim cương tự nhiên kiểu Ia nên chúng có thể bị xác định nhầm là tự nhiên bằng các thiết bị cơ bản như phát quang dưới tia cực tím, phát hiện khuyết tật N3 và đo phổ FTIR tổng. Nhưng thiết bị SYNTH detect sẽ đánh giá “refer” (kiểm tra thêm) khi được kiểm tra từ phía mặt bàn (phần kim cương CVD). Sự hiện diện của các bao thể màu đen và những bao thể rất nhỏ phân bố trên một mặt phẳng và hiện tượng giả dị hướng do căng giãn (ứng suất) đặc trưng cũng là những đầu mối để phát hiện ra sự mọc chồng bên ngoài bởi CVD. Để kết luận, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng, có thể xác định “kim cương lai” (hybrid diamond) bằng cách kết hợp các dữ liệu thu được từ các kỹ thuật nhận dạng tiên tiến như Diamond View và phổ PL, cũng như các phương pháp ngọc học tiêu chuẩn.

Tác giả bài viết:

• Hirohi Kitawaki¹, Kentaro Emori¹, Mio Hisanaga¹, Masahiro Yamamoto¹, Makoto Okano¹, Zhenghao Zhao¹
• Jayam Sonani², Hiroyuki Harada²

Nguồn: Nguồn: Proceedings IGC2023, trang 34 – 36.