Hệ thống phân loại kim cương và tầm quan trọng trong giám định ngọc học (phần 2)

Các loại kim cương được phân loại như thế nào và tại sao chúng quan trọng trong nghiên cứu đá quý?

Kim cương tinh khiết được tạo thành từ duy nhất một nguyên tố: Các-bon. Các nguyên tử được sắp xếp theo một mô hình lặp đi lặp lại (mạng tinh thể kim cương) là duy nhất trong các loại đá quý. Tuy nhiên, các nguyên tử của các nguyên tố như ni-tơ và bo có thể thay thế một vài nguyên tử các-bon trong mạng tinh thể. Trong khi các tạp chất khác cũng có thể được kết hợp, hệ thống phân loại loại kim cương chia kim cương thành các nhóm dựa trên sự hiện diện hay vắng mặt của các tạp chất chứa Ni-tơ và Bo và cách chúng được bố trí trong mạng (hình 1).

Sự phân biệt loại kim cương dựa trên sự có mặt hay vắng mặt các hợp chất ni-tơ và bo trong mạng kim cương. Những giản đồ này minh họa hình thái mà những nguyên tử Ni-tơ và bo thay thế cho những nguyên tử các-bon trong mạng kim cương.  Hai lược đồ naỳ đã đơn giản hóa cho hai đại diện thứ nguyên của những nguyên tử cac-bon được gắn tứ diện (bốn liên kết với mỗi nguyên tử các-bon) hình thành cấu trúc tinh thể kim cương bốn chiều. Những viên kim cương loại Ia có chứa những tạp chất ni-tơ- bao gồm những liên kết A (IaA) bao gồm một cặp nguyên tử ni-tơ và những liên kết B (IaB) được tạo bởi bốn nguyên tử ni-tơ xung quanh một vị trí trống (V). Những viên kim cương loại Ib có những nguyên tử ni-tơ tách biệt. Đá quý loại Ib không chứa những tạp chất có thể đo được, và kim cương loại IIb chưa những tạp chất bo.

Hình 1. Sự phân biệt loại kim cương dựa trên sự có mặt hay vắng mặt các hợp chất Ni-tơ và Bo trong mạng kim cương. Những giản đồ này minh họa hình thái mà những nguyên tử Ni-tơ và Bo thay thế cho những nguyên tử Các-bon trong mạng kim cương. Hai lược đồ này đã đơn giản hóa cho hai đại diện thứ nguyên của những nguyên tử Cac-bon được gắn tứ diện (bốn liên kết với mỗi nguyên tử Các-bon) hình thành cấu trúc tinh thể kim cương bốn chiều. Những viên kim cương loại Ia có chứa những tạp chất Ni-tơ bao gồm những liên kết A (IaA) bao gồm một cặp nguyên tử Ni-tơ và những liên kết B (IaB) được tạo bởi bốn nguyên tử Ni-tơ xung quanh một vị trí trống (V). Những viên kim cương loại Ib có những nguyên tử Ni-tơ tách biệt. Đá quý loại Ib không chứa những tạp chất có thể đo được, và kim cương loại IIb chứa những tạp chất Bo.

Sự phân loại kim cương

Nền tảng của hệ thống phân loại kim cương là sự hiện diện hay vắng mặt của Ni-tơ, tạp chất thường có nhất trong kim cương. Kim cương loại I được xác định là chứa đủ N để đo lường được bằng quang phổ hấp thụ hồng ngoại, trong khi kim cương loại II không chứa đủ N để có thể được phát hiện bằng các máy quang phổ hồng ngoại. Những loại cơ bản này sau đó lại được chia thành các nhóm nhỏ dựa trên bản chất của các tạp chất có mặt.

Như đã nói ở trên, kim cương loại I được chia thành loại Ia và Ib. Cả hai nhóm nhỏ này đều chứa Ni-tơ, nhưng các phân tử Ni-tơ trong mỗi loại được bố trí khác nhau. Trong kim cương loại Ib, những nguyên tử Ni-tơ đơn thay thế các nguyên tử Các-bon trong mạng thường tách biệt nhau, có nghĩa là, chúng thường không xảy ra ở các vị trí mạng lân cận. Những tạp chất Ni-tơ được gọi bằng rất nhiều tên khác nhau trong các tài liệu khoa học, bao gồm Ni-tơ tách biệt, nguyên tố Ni-tơ thay thế đơn và các tâm Các-bon.

Ngược lại, kim cương loại Ia chứa những nguyên tử Ni-tơ ở rất gần nhau ở một trong hai cấu hình có thể phát hiện bởi quang phổ. Cấu hình thường gặp nhất ở kim cương loại Ia bao gồm hai nguyên tử Ni-tơ liền kề nhau trong mạng. Mặc dù hai nguyên tử này chiếm giữ hai vị trí lân cận, mỗi cặp lại tách biệt với các phân tử Ni-tơ trong mạng. Những tạp chất Ni-tơ này thường được gọi là tổ hợp A (hay trung tâm A), và kim cương có chứa chúng được gọi là loại 1Aa.

Các cấu hình khác bao gồm bốn nguyên tử Ni-tơ đối xứng xung quanh một vị trí trống (một vị trí trống là một vị trí mạng thường được chiếm giữ bằng một nguyên tử Cac-bon không dính líu đến bất kì nguyên tử nào). Nhóm phức hợp này được hình thành khi hai trung tâm A kết hợp lại. Những nhóm tạp chất Ni-tơ này được gọi là những tổ hợp B (hay những trung tâm B), và những viên kim cương kết hợp này là loại IaB.

Những cách bố trí khác của các nguyên tử N (xem Box A) cũng xảy ra, nhưng chúng không được tính vào hệ thống phân loại kim cương (Collins, 1982, 2001).

Kim cương loại II được chia thành loại IIa và IIb. Kim cương loại II chứa tạp chất bo hay ni-tơ không dễ đo lường được. Kim cương loại IIb tự nhiên tương tự thế cũng chứa những tạp chất ni-tơ không thể đo được bằng tia hồng ngoại. Thay vào đó, kim cương loại IIb chứa những tạp chất bo được cho là những nguyên tử đơn tách biệt thay thế các-bon trong mạng kim cương.

Những đặc tính của kim cương loại IIb, như tính dẫn điện, là gây ra trực tiếp bởi những tạp chất bo.

Một nhà nghiên cứu đá quý có thể biết được gì từ loại đá quý?

Trong nhiều trường hợp, các điều kiện địa chất mà những viên kim cương tự nhiên tiếp xúc trong suốt thời gian chúng ở trong lòng đất và những điều kiện áp đặt trong phòng thí nghiệm trong suốt thời gian xử lý hay tổng hợp là khá khác nhau, nhưng những khiếm khuyết về mạng cấu trúc gây ra có thể mang lại cho kim cương tự nhiên, đã qua xử lý hay kim cương tổng hợp những màu sắc tương tự nhau.

(Xem Box A để biết thông tin về những khiếm khuyết không liên quan đến loại kim cương cũng có thể ảnh hưởng đến màu sắc).

Những tạp chất kim cương kiểm soát bản chất của những khiếm khuyết mạng xảy ra tự nhiên và sự thay đổi của nó trong suốt thời gian trong phòng thí nghiệm hay quá trình xử lý.

Vì vậy, một loại kim cương phản ảnh nguồn gốc của nó, ở trong tự nhiên hay trong phòng thí nghiệm, hay cả hai và sự hiểu biết tương đối về loại kim cương là quan trọng cho mục đích phân loại.

Kể từ khi có phát hiện nhiều phương pháp hiện đại và tổng hợp đòi hỏi những thiết bị của một phòng thí nghiệm đá quý được trang bị tốt, rất quan trọng để biết rằng khi nào nên gửi một viên kim cương để kiểm tra bằng những phương pháp tiên tiến.

Với sự hiểu biết tốt hơn về loại kim cương liên quan đến màu sắc tự nhiên, màu đã qua xử lý và quá trình tổng hợp như thế nào, một nhà nghiên cứu đá quý có thể đưa ra quyết định dễ dàng hơn.

Mối quan hệ của loại kim cương với màu sắc và các phương pháp xử lý.

Những viên kim cương tự nhiên thường có màu sắc tương quan với loại của chúng (xem hình 2)

Ví dụ, kim cương loại Ia không màu, màu nâu, hồng hay tím thường không có khả năng bị xử lý màu, trong khi loại Ia được xử lý màu là vàng, cam, đỏ, xanh dương và xanh lá cây thường khá phổ biến.

Màu sắc bị ảnh hưởng mạnh bởi các tạp chất/khiếm khuyết trong mạng kim cương. Bởi thế, loại kim cương đóng một vai trò quan trọng trong màu sắc chủ yếu của các viên đá quý tự nhiên, tổng hợp hay đã qua xử lý. Mặc dù nhiều thí nghiệm là cần thiết để có được đánh giá về loại kim cương dựa trên quan sát màu, những hình ảnh này cho thấy những màu đại diện của mỗi loại. Ảnh của các nhân viên GIA.

Hình 2: Màu sắc bị ảnh hưởng mạnh bởi các tạp chất/khiếm khuyết trong mạng kim cương. Bởi thế, loại kim cương đóng một vai trò quan trọng trong màu sắc chủ yếu của các viên đá quý tự nhiên, tổng hợp hay đã qua xử lý. Mặc dù nhiều thí nghiệm là cần thiết để có được đánh giá về loại kim cương dựa trên quan sát màu, những hình ảnh này cho thấy những màu đại diện của mỗi loại. Ảnh của các nhân viên GIA.

Box A: Tóm tắt về khiếm khuyết hình thành màu kim cương không liên quan đến loại kim cương.

Một vài khiếm khuyết về mạng tinh thể làm cho kim cương có màu mặc dù chúng không liên quan đến việc phân loại kim cương. Hầu hết các đặc điểm này là do hấp thụ chọn lọc ánh sáng trong vùng nhìn thấy của quang phổ điện từ để tạo ra màu sắc và chúng có thể được quan sát với một kính quang phổ hay quang phổ hấp thụ hồng ngoại - tia cực tím. Những khiếm khuyết này thường được đề cập đến trong những tài liệu khoa học và nghiên cứu đá quý. Miêu tả ngắn gọn về mỗi loại được đưa ra dưới đây:

N3 (415 nm): Khiếm khuyết này bao gồm ba nguyên tử ni-tơ xung quanh một vị trí trống. Ngoài việc đóng góp màu vàng trong kim cương "Cape", nó cũng có thể sinh ra phát quang màu xanh dương phản ứng lại bức xạ tia cực tím bước sóng dài.

N2 (478nm): Sự hấp thụ ở dải này liên quan đến N3 và là một phần của quang phổ bao trùm ở nhiều viên kim cương màu vàng. Nó cũng liên quan đến các tạp chất ni-tơ.

480nm: Dải này là một khiếm khuyết không rõ nguồn gốc thường tạo lên màu vàng và cam trong kim cương loại Ia. Huỳnh quang màu vàng đậm là loại Ia của kim cương được tạo màu bởi cơ chế này.

H4 (496 nm): Khiếm khuyết này gồm có bốn nguyên tử ni-tơ chia ra ở hai vị trí trống. Nó được tạo ra khi một vị trí trống xâm nhập vào mạng kim cương và kết hợp với một tạp chất ni-tơ tổng hợp B. H4 sinh ra màu vàng trong kim cương.

H3 (503.2 nm): Đây là khiếm khuyết không tích điện chứa hai nguyên tử ni-tơ tách biệt ở một vị trí, ví dụ (N-V-N)º. Sự hấp thụ chỉ riêng H3 sinh ra màu vàng trong khi khiếm khuyết cũng có thể sinh ra phát quang màu xanh lá cây phản ứng lại ánh sáng.

3H (503.5 nm): Khiếm khuyết này được cho là liên quan đến một nguyên tử các-bon xen kẽ trong mạng kim cương. Nó được sinh ra bởi bức xạ phá hủy và thường xảy ra với GR1. Trong trường hợp hiếm, 3H hấp thụ đủ mạnh để tăng cường màu xanh lá cây gây ra bởi sự hấp thụ GRI.

550 nm: Dải này còn chưa được hiểu rõ và được cho là liên quan đến biến dạng dẻo của mạng tinh thể kim cương trong quá trình hình thành. Đây là khiếm khuyết phổ biến nhất gây ra việc biến đổi màu hồng sang đỏ trong kim cương tự nhiên, nhưng nó cũng phổ biến trong đá màu nâu.

N V° (575 nm): Khiếm khuyết này bao gồm một nguyên tử ni-tơ gần kề một vị trí, nó ở trong trạng thái điện trung tính. Kết hợp với khiếm khuyết 637nm, tâm N V° sinh ra màu hồng trong hầu hết các viên kim cương màu hồng đã qua xử lý cũng như một số loại đá tự nhiên màu hồng.

595 nm: Dải này là một khiếm khuyết liên quan đến ni-tơ trong một cấu trúc không chắc chắn. Nó thường kết hợp với bức xạ trong phòng thí nghiệm và quá trình ủ nhiệt kim cương để sản sinh màu xanh lá cây, vàng và hồng, nhưng nó cũng hiện diện như một yếu điểm trong những viên kim cương màu vàng và xanh lá cây tự nhiên.

NV ̵ (637 nm): Khiếm khuyết này bao gồm một nguyên tử ni-tơ gần kề một vị trí trống. Khiếm khuyết này ở trong trạng thái điện tích âm. Kết hợp với khiếm khuyết 575 nm, trung tâm NV sinh ra màu hồng trong hầu hết các viên kim cương hồng đã qua xử lý cũng như một số loại đá tự nhiên khác.

GRl (741 nm): Khiếm khuyết này là một vị trí đơn không tích điện trong mạng tinh thể kim cương. Nó phổ biến trong hầu hết các loại kim cương màu xanh dương và xanh lá cây loại Ia, IIa tự nhiên và bức xạ nhân tạo. Mặc dù bên ngoài phạm vi quang phổ có thể nhìn thấy (400-700 nm) sự hấp thụ mạnh bởi GRI sinh ra những dải liên quan kết thúc bằng màu đỏ của chùm quang phổ tạo ra màu xanh lá cây hoặc xanh da trời.

H2 (986 nm): Đây là một khiếm khuyết không tích điện bao gồm hai nguyên tử ni-tơ tách biệt nhau bởi một vị trí trống, tức là (N-V-N) ̵ Nó có liên quan chặt chẽ đến H3 và thường được coi là bằng chứng cho phương pháp xử lý HPHT trong những viên kim cương loại Ia. Thỉnh thoảng, H2 (và những hấp thụ dải rộng liên quan) có thể mạnh mẽ kết hợp với H3 và H2 sinh ra màu xanh lá cây đậm.

Những viên kim cương tự nhiên loại Ib thường hầu hết là màu nâu, vàng hay cam mặc dù những viên cùng nguồn gốc như thế qua bức xạ nhân tạo hay ủ nhiệt thường chuyển sang màu hồng đến đỏ. Phương pháp xử lý HPHT có thể tạo ra kim cương màu vàng từ kim cương loại Ib không màu. Quá trình HPHT có thể nâng cấp kim cương màu nâu loại IIa để xuất hiện màu hồng hoặc không màu, và có thể tạo ra màu xanh dương trong một số viên kim cương loại IIb.

Tuy nhiên, phương pháp xử lý HPHT không thể chuyển một loại kim cương loại Ia sang không màu (ngoại trừ loại IaB tinh khiết hiếm), vì vậy nếu một nhà nghiên cứu đá quý tìm ra rằng một loại đá quý không màu là loại Ia, sẽ thường không cần thiết để gửi nó đến một phòng nghiên cứu đá quý đế kiểm tra thêm (một vài loại kim cương tổng hợp không màu hiện có mặt trên thị trường là loại IIa).

Hầu hết các phương pháp xử lý kim cương vĩnh viễn (tức là không liên quan đến việc thêm lớp phủ bề mặt), bằng cách thay đổi hay loại bỏ màu sắc bằng cách sắp xếp lại các khiếm khuyết trong mạng tinh thể kim cương. Loại kim cương có thể là cơ sở để xác định những khiếm khuyết gây màu cần thiết có thể được sinh ra hay loại bỏ trong suốt quá trình xử lí để đạt được kết quả mong muốn hay không.

Bức xạ thường xuyên được thực hiện trên tất cả các loại kim cương để sinh ra màu xanh lá cây hay màu xanh dương, vì vậy loại kim cương không hữu ích lắm trong trường hợp đó. Tuy nhiên, nếu bức xạ được kế tiếp bằng việc nung nóng đến nhiệt độ 800-1000°C để sinh ra màu vàng và màu hồng, thì loại kim cương ở dạng nguyên liệu ban đầu là rất quan trọng.

Những viên kim cương loại I sẽ thường thay đổi, để làm đậm thêm màu vàng, cam, hồng hay đỏ với bức xạ kế tiếp bằng việc ủ mặc dù những viên kim cương loại II hiếm khi tăng thành màu đậm ở những màu sắc này vì sự thiếu những tạp chất (chủ yếu là ni-tơ) cần thiết để tạo ra những khiếm khuyết phức tạp, tạo màu. Vì vậy, sẽ hữu ích cho nhà nghiên cứu đá quý hiểu rằng kim cương loại II không có khả năng thành đối tượng cho việc xử lý có liên quan đến chiếu xạ kế tiếp là ủ nhiệt.

Sự phát hiện ra phương pháp xử lý HPHT đòi hỏi hiểu biết rõ hơn về loại kim cương (Fisher and Spits, 2000; Smith và đồng sự năm 2000). Trong hầu hết các trường hợp, phương pháp xử lí HPHT chỉ đổi màu một loại kim cương IIa (xem hình 3).
Các điều kiện của phương pháp HPHT gây ra sự thay đổi những vùng màu nâu, bị biến dạng ở những viên đá quý này, biến chúng trở thành từ không màu đến gần không màu. Thỉnh thoảng, HPHT có thể thay đổi kim cương loại II thành màu hồng hay xanh dương. Khi một loại đá quý màu nâu loại I được nhắm tới cho những điều kiện xử lý tương tự, sự có mặt của các tạp chất ni-tơ làm nó biến đổi thành nhiều sắc thái khác nhau của màu vàng (xem lại hình 3).

Do đó một nhà nghiên cứu đá quý làm việc với những viên kim cương không màu có thể nhanh chóng xác định cái nào nên được gửi đến phòng nghiên cứu đá quý chỉ đơn giản bằng cách kiểm tra xem chúng có phải loại II hay không.

Gần đây, sự kết hợp của phương pháp HPHT và chiếu xạ với việc ủ nhiệt áp suất thấp đang được sử dụng để tạo ra nhiều viên kim cương màu hồng, đỏ hay cam đậm hơn đối với cả kim cương loại Ia và IIa (Wang và đồng sự năm 2005).

Ảnh hưởng của phương pháp xử lý HPHT thường phụ thuộc nhiều vào loại kim cương của nguyên liệu ban đầu. Kim cương màu nâu loại IIa có thể biến đổi màu sắc bởi màu nâu liên kết với sự biến dạng dẻo thường nhạy cảm với ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao, thường thường, không trung tâm màu mới nào được hình thành dựa trên sự vắng mặt của tạp chất chứa đáng kể N. Ngược lại, kim cương màu nâu loại Ia chứa lượng lớn tạp chất liên kết ni-tơ giữ lấy các vị trí trống trong suốt quá trình xử lý để tạo ra các khiếm khuyết H3 phức tạp và cũng phá vỡ các liên kết để giải phóng nguyên tử ni-tơ tách biệt, tất cả những quá trình này góp phần vào sự hình thành màu vàng mới.

Hình 3. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý HPHT thường phụ thuộc nhiều vào loại kim cương của nguyên liệu ban đầu. Kim cương màu nâu loại IIa có thể biến đổi màu sắc bởi màu nâu liên kết với sự biến dạng dẻo thường nhạy cảm với ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao, thường thường, không trung tâm màu mới nào được hình thành dựa trên sự vắng mặt của tạp chất chứa đáng kể N. Ngược lại, kim cương màu nâu loại Ia chứa lượng lớn tạp chất liên kết ni-tơ giữ lấy các vị trí trống trong suốt quá trình xử lý để tạo ra các khiếm khuyết H3 phức tạp và cũng phá vỡ các liên kết để giải phóng nguyên tử ni-tơ tách biệt, tất cả những quá trình này góp phần vào sự hình thành màu vàng mới.

Mối quan hệ của loại kim cương với những viên kim cương tổng hợp

Nhiều năm gần đây, sản xuất kim cương tổng hợp bằng phương pháp HPHT tăng đáng kể và kim cương tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) đã bắt đầu thâm nhập thị trường đá quý (Wang và đồng sự, 2007). Vì thế, những nhà nghiên cứu đá quý đang có áp lực lớn hơn trong việc xác định các sản phẩm phát triển trong phòng thí nghiệm này. Loại kim cương có thể cung cấp một số manh mối về vấn đề này. Kim cương tổng hợp bằng phương pháp HPHT hầu hết là loại Ib, là loại hiếm có trong tự nhiên. Một số kim cương tự nhiên loại này thường chứa những tạp chất phong phú các khoáng tự nhiên và có các kiểu dáng màu sắc đa dạng.

Ngược lại, kim cương tổng hợp từ phương pháp HPHT loại Ib chứa duy nhất các tạp chất trợ dung kim loại (khi tạp chất nào cũng có mặt), và chúng thể hiện đặc trưng một kiểu dáng biến dạng rất yếu hoặc là không có gì cả (Shigley và đồng sự, 2004). Kim cương tổng hợp CVD thường phổ biến loại IIa và thường điển hình là gần như không màu hoặc có màu nâu sáng. Những viên kim cương tổng hợp này thường có thể được phân biệt từ những viên tương tự từ tự nhiên và qua xử lý màu bằng sự vắng mặt của những mô hình biến dạng đường chéo song song "tatami" (xem bên dưới).

Thỉnh thoảng, cả kĩ thuật nuôi cấy HPHT và CVD sẽ tạo ra kim cương tổng hợp loại IIb màu xanh dương lôi cuốn. Sự vắng mặt của biến dạng "tatami" kết hợp với sự có mặt của tính dẫn điện có thể sử dụng để phân biệt những loại kim cương tổng hợp này.

Hầu hết những viên kim cương tổng hợp (loại Ib) hiện nay trên thị trường có màu vàng đậm đến màu cam. Bởi chúng phản ứng với sự xử lý cơ bản cùng một cách mà kim cương tự nhiên loại Ib phản ứng, những màu sắc của những viên kim cương tự nhiên đã qua xử lý màu và kim cương tổng hợp là rất giống nhau. Với những tiến bộ gần đây trong kĩ thuật phát triển kim cương tổng hợp CVD, những viên kim cương không màu loại IIa cũng được coi là có thể tổng hợp.

Có mối liên quan nào giữa loại kim cương và nguồn gốc địa lý không?

Trong một số trường hợp, những loại kim cương nào đó sẽ có liên hệ với các thay đổi địa lý cụ thể. Tuy nhiên, chúng ta hiếm khi biết nguồn gốc địa lý của một viên kim cương được cắt gọt, và điều đó không thể xác định chắc chắn được từ loại kim cương. Tuy nhiên, chủ đề này đáng được đề cập ngắn gọn bởi tầm quan trọng lịch sử liên quan đến rất nhiều các cơ sở địa phương sản xuất kim cương nổi tiếng.

GIA sử dụng một máy quang phổ FTIR như máy Thermo Nicolet 6700 để xác định loại kim cương. Một viên kim cương có nhiều cạnh như viên trên hình được đặt xuống mặt một tầng ngưng tia sáng được thiết kế đặc biệt để tập trung chùm tia hồng ngoại xuyên qua vành đai của viên đá. Kết quả là một chùm phổ hấp thụ mà từ đó có thể xác định loại kim cương. Ảnh thực hiện bởi C.M.breeding và Robinson McMurtry.

Hình 4. GIA sử dụng một máy quang phổ FTIR như máy Thermo Nicolet 6700 để xác định loại kim cương. Một viên kim cương có nhiều cạnh như viên trên hình được đặt xuống mặt một tầng ngưng tia sáng được thiết kế đặc biệt để tập trung chùm tia hồng ngoại xuyên qua vành đai của viên đá. Kết quả là một chùm phổ hấp thụ mà từ đó có thể xác định loại kim cương. Ảnh thực hiện bởi C.M.breeding và Robinson McMurtry.

Những viên đá quý loại Ia xuất hiện ở hầu hết các lớp trầm tích chứa phần lớn kim cương, nhưng có lẽ chúng nổi tiếng nhất từ các mỏ ở Nam Phi. Vì vậy, những viên kim cương loại Ia màu vàng thường được định nghĩa là kim cương "Cape" (King và đồng sự, 2005).

Kim cương loại IIa màu hồng điển hình là một sản phẩm của mỏ Argyle của Úc (King và đồng sự, 2002). Kim cương loại Ib có thể xuất hiện ở trong tất cả các lớp trầm tích lớn, nhưng chúng nổi tiếng từ các mỏ ở ấn Độ, Brazil hay Nam Phi (King và đồng sự, 2005). Những viên kim cương loại IIa cũng giống như thế xuất hiện ở các lớp trầm tích lớn, nhưng vùng Golconda của Ân Độ đã từng biết đến là một nguồn quan trọng. Nhiều viên kim cương loại IIb được cho là có nguồn gốc từ Brazil, Châu Phi và Âns Độ (King và đồng sự, 2002). Những viên kim cương loại IIb thường ít phân bố rộng rãi, hầu hết là có nguồn gốc từ Ân Độ và mỏ Cullinan (trước đây là Premier) ở Nam Phi (King và đồng sự, 1998).

Các nhà khoa học xác định loại kim cương như thế nào?

Để xác định loại của một viên kim cương, những nhà nghiên cứu phải phát hiện và đo lường được những tạp chất trong đó. Phương pháp phổ biến nhất là quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR, như minh họa ở hình 4; Clark và đồng sự, 1979). Những kĩ thuật khác, chẳng hạn EPR/ESR (cộng hưởng thuận từ điện tử/Quang phổ cộng hưởng điện tử) và SISM (phép trắc phổ khối ion thứ cấp), phân tích hóa học, đưa ra những khả năng để đo lường tạp chất trong kim cương. Tuy nhiên, những công nghệ này thường khá phức tạp, đắt đỏ, tiêu cực và hạn chế những thông tin chúng cung cấp về cấu hình của những tạp chất ni-tơ và bo cụ thể. Ngược lại, phân tích FTIR thì không mang tính hủy hoại và tương đối rẻ (cho một quang phổ kế), và nó cung cấp một lượng thông tin lớn về các tạp chất trong mạng kim cương.

Một chùm phổ hấp thụ FTIR của kim cương bao gồm những vùng một, hai và ba âm tử nơi sự hấp thụ liên quan đến những tạp chất Ni-tơ và Bo có thể xác định để xác định loại kim cương. Đặc trưng của loại I xảy ra chủ yếu ở vùng một âm tử, trong khi sự hấp thụ liên quan đến loại IIb liên kết với bo lại xảy ra chủ yếu ở vùng 2 và 3 âm tử. Chùm mở rộng của vùng một âm tử minh họa cho sự khác nhau giữa những tạp chất ni-tơ tổng hợp (loại Ia) và cô lập (loại Ib).

Hình 5. Một chùm phổ hấp thụ FTIR của kim cương bao gồm những vùng một, hai và ba âm tử nơi sự hấp thụ liên quan đến những tạp chất Ni-tơ và Bo có thể xác định để xác định loại kim cương. Đặc trưng của loại I xảy ra chủ yếu ở vùng một âm tử, trong khi sự hấp thụ liên quan đến loại IIb liên kết với bo lại xảy ra chủ yếu ở vùng 2 và 3 âm tử. Chùm mở rộng của vùng một âm tử minh họa cho sự khác nhau giữa những tạp chất ni-tơ tổng hợp (loại Ia) và cô lập (loại Ib).

Trong thuật ngữ đơn giản, phân tích FTIR bao gồm việc truyền một chùm bức xạ hồng ngoại xuyên qua một viên kim cương và đo xem nó được hấp thụ thế nào (và ở bước sóng nào).

Tương tác giữa những cấu hình các tạp chất Ni-tơ và Bo và các nguyên tử Các-bon xung quanh gây ra những đặc tính đặc trưng trong vùng hồng ngoại của phổ điện tử; đó là, mỗi loại tạp chất liên quan đến Bo và Ni-tơ gây ra một dải hay các dải hấp thụ đặc trưng. Chính mạng kim cương cũng có thể tạo ra đặc tính hấp thụ, vì thế quang phổ FTIR có thể vừa nhận dạng một mẫu như kim cương và đưa ra loại và lượng của tạp chất có mặt.

Để thảo luận về sự phát hiện các tạp chất sử dụng phương pháp FTIR, chúng ta phải miêu tả đầu tiên chi tiết của chùm quang phổ FTIR của kim cương (xem hình 5).

Trong khi na-nô-mét (nm) thường được dùng làm đơn vị của bước sóng trong tia cực tím và vùng nhìn thấy của quang phổ điện tử, vùng hồng ngoại thường được miêu tả bằng các thuật ngữ số sóng (cm-1); để chuyển đổi giữa các đơn vị: 107 / [bước sóng đo bằng nm] = [số sóng đo bằng cm-1].
Những viên kim cương cho thấy các tính năng hấp thụ quan trọng trong khoảng giữa vùng hồng ngoại (4000-400 cm-1). Đối với kim cương, vùng này được chia thành ba khu vực- vùng âm tử 1, 2, 3 - dựa trên cách thức liên kết hóa học giữa các nguyên tử các-bon (và bất cứ tạp chất nào) bên trong mạng kim cương chuyển động khi tiếp xúc với năng lượng hồng ngoại (Zaitsev, 2001).

Hình 5 cho thấy những khu vực này cho cả kim cương loại I và II.

Những tạp chất bo và ni-tơ trong kim cương xuất hiện với sự phong phú hay biến đổi. Quang phổ FTIR không những xác định được sự có mặt của các hợp chất mà còn đưa ra cấu hình mà các nguyên tử ni-tơ xuất hiện trong mạng kim cương (tách biệt hay liên kết). Các sự hấp thụ liên quan đến bo có thể thấy được với sự tập trung tăng dần.

Hình 6. Những tạp chất Bo và Ni-tơ trong kim cương xuất hiện với sự phong phú hay biến đổi. Quang phổ FTIR không những xác định được sự có mặt của các hợp chất mà còn đưa ra cấu hình mà các nguyên tử Ni-tơ xuất hiện trong mạng kim cương (tách biệt hay liên kết). Các sự hấp thụ liên quan đến Bo có thể thấy được với sự tập trung tăng dần.

Khu vực một âm tử (~1332 đến ~400cm-1) là nơi tạp chất ni-tơ liên quan đến kim cương loại I sinh ra sự hấp thụ đặc trưng. Quan trọng không kém với một thực tế là kim cương loại II thể hiện vài tính năng trong vùng này. Những vùng hai âm tử (2665 to -1332 cm-1) và ba âm tử (-4000 đến 2665 cm-1) bao gồm những tính năng thực chất đối với kim cương; đó là, chúng xảy ra ở mọi loại kim cương.

Những đặc tính này được gây ra bởi sự chuyển động của những liên kết Các-bon, Các-bon trong mạng kim cương khi tiếp xúc với năng lượng hồng ngoại (ví dụ, Zaitsev, 2001, và các tài liệu tham khảo trong đó). Hai khu vực này cũng đồng thời là một phần của quang phổ hồng ngoại nơi mà các tạp chất Bo có thể được phát hiện dễ dàng.

Trong khi các đặc tính gây ra bởi các tạp chất bo thường yếu ở vùng một âm tử, đồng thời những mức đỉnh hấp thụ mạnh mẽ và sắc nét hơn thường ở mức -2458 cm-1 ở vùng hai âm tử, và -2930 và -2803 cm-1 ở vùng 3 âm tử; những điều này gây ra bởi những ảnh hưởng điện tử của Bo trong mạng kim cương. Ở một số viên kim cương loại I, những tạp chất khác không ảnh hưởng đến sự xác định loại kim cương (ví dụ, Hidro) cũng có thể biểu hiện những đặc điểm ở vùng ba âm tử.

Vùng một âm tử cho những viên kim cương loại I minh họa những tính chất quang phổ đặc trưng gây ra bởi những cấu hình khác nhau của tạp chất Ni-tơ ở kim cương loại Ia và Ib (xem vùng mở rộng ở hình 5 và hình 6, phía trên).

Hình 6 cho thấy một chùm quang phổ FTIR bộc lộ tiến triển của tạp chất Ni-tơ từ Ni-tơ đơn, tách biệt (phát hiện ở 1344 và ~1130 cm-1) đến Ni-tơ liên kết với A (phát hiện ở ~1282 cm-1) đến Ni-tơ liên kết với B (phát hiện ở ~1175 cm-1). Nồng độ đa dạng của các kết tập A và B cùng với Ni-tơ thay thế đơn tạo ra một vùng liên tục của cường độ đỉnh cao trong vùng này (đưa ra đầu tiên bởi Custer, 1952). Cần nhấn mạnh rằng hệ thống phân loại được dựa trên quá trình chuyển đổi mang mức độ tăng dần giữa các loại vì thế thực tế có vài ví dụ "thuần khiết" về loại kim cương. Box B dưới đây sẽ thảo luận về một số yếu tố thường gây ra các chùm phổ hồng ngoại kết hợp nhiều loại.

Ngoài việc cho thấy sự xuất hiện và sắp xếp của các tạp chất Ni-tơ và Bo để phân loại, phương pháp phân tích FTIR còn cung cấp thông tin về nồng độ của các tạp chất.

Cả kim cương loại I và loại II có thể cho thấy một loạt nồng độ tạp chất thường có tác động quan trọng đến những tính chất quang học của chúng. Cường độ của một đỉnh hấp thụ ở một chùm quang phổ FTIR của một viên kim cương liên quan đến hai yếu tố: nồng độ của các tạp chất tạo ra đỉnh, và độ dày của viên kim cương nơi mà bức xạ hồng ngoại xuyên qua. Khi độ dày (hay chiều dài đường dẫn) có thể trực tiếp đo, cường độ của đỉnh quang phổ FTIR có thể được tính toán để tạo ra một " hệ số hấp thụ", thứ rút ra yếu tố độ dày, để lại duy nhất cường độ liên quan đến sự tập trung tạp chất. Chiều cao của đỉnh có thể được so sánh với chiều cao đỉnh của các viên kim cương với nồng độ đã biết để tính toán lượng tạp chất có mặt (tham khảo dưới đây về các phương trình tính toán). Tuy nhiên, thực tế rằng hầu hết kim cương đá quý được mài giác làm cho các đo lường chính xác về chiều dài đường dẫn khó khăn, nếu không phải là không thể (xem lại Box B).

May mắn thay, người ta chấp nhận rộng rãi rằng hệ số hấp thụ của kim cương trong hầu hết các vùng hai hay ba âm tử là hằng số. Ví dụ, ở 2000cm-1, hệ số hấp thụ là 12.3cm-1 (Tang và đồng sự, 2005).

Box B: Tại sao những viên kim cương hỗn hợp lại phổ biến?

Hầu hết các viên kim cương có những đặc tính của nhiều hơn một loại kim cương, và có nhiều yếu tố góp phần vào sự phổ biến của quang phổ kim cương hỗn hợp. Yếu tố đầu tiên là quá trình tổng hợp ni-tơ. Khi kim cương kết tinh, mọi tạp chất ni-tơ được cho là xuất hiện như một nguyên tử đơn trong mạng (Collins và đồng sự, 2005). Vì những viên kim cương có mặt ở nơi nhiệt độ cao áp suất cao, sâu trong lòng đất trong những khoảng thời gian khá dài, những nguyên tử ni-tơ chuyển động xung quanh trong mạng và liên kết thành các nhóm. Khi hai nguyên tử ni-tơ kết hợp, một liên kết A hình thành và khi hai liên kết A kết hợp (với một vị trí trống giữa chúng), một liên kết B hình thành. Xu hướng này của tổng hợp ni-tơ giúp giải thích sự khan hiếm của kim cương tự nhiên loại Ib so với loại Ia.

            Type lb                                Type la
Ni-tơ đơn → cặp Ni-tơ (liên kết với A) → 4N + V (liên kết với B)
(Nhiệt độ, áp suất hạn chế, thời gian ở trong lòng trái đất)

Viên kim cương tổng hợp bằng phương pháp HPHT, ngâm trong nước, cho thấy những vùng phát triển với nhiều loại kim cương khác nhau. Vùng màu vàng là loại Ib, vùng không màu là loại IIa, và những vùng màu xanh là loại IIb. Chỉ những viên kim cương tổng hợp mới thường cho thấy các hỗn hợp các tạp chất ni-tơ và bo trong cùng một tinh thể. Ảnh thực hiện bởi Shigley và đồng sự (2004)

Hình 7. Viên kim cương tổng hợp bằng phương pháp HPHT, ngâm trong nước, cho thấy những vùng phát triển với nhiều loại kim cương khác nhau. Vùng màu vàng là loại Ib, vùng không màu là loại IIa, và những vùng màu xanh là loại IIb. Chỉ những viên kim cương tổng hợp mới thường cho thấy các hỗn hợp các tạp chất ni-tơ và bo trong cùng một tinh thể. Ảnh thực hiện bởi Shigley và đồng sự (2004)

Tiến trình tổng hợp của những tạp chất Ni-tơ này đi dần đến sự hình thành của một số viên kim cương tự nhiên (Collins và đồng sự, 2005), tạo nên hầu hết loại IB tinh khiết, nhưng trong nhiều trường hợp cấu hình kép của những tạp chất Ni-tơ cùng tồn tại trong một tinh thể đơn vì sự tổng hợp chưa đầy đủ (Hainschwang và đồng sự, 2006).

Một yếu tố khác gây ra quang phổ tổng hợp là hầu hết các viên kim cương loại I bao gồm các vùng với lượng khác nhau của các cấu hình ni-tơ trong cùng tinh thể (chẳng hạn, Breding, 2005, Chadwick, 2008). Thực tế này, kết hợp với cách mà quang phổ hồng ngoại thu được từ các viên kim cương có nhiều mặt, khiến cho nó gần như không thể tránh quang phổ hỗn hợp. Để thu được quang phổ, những kĩ thuật viên phải hướng kim cương để tia hồng ngoại có thể xuyên qua nó đến một thiết bị phát hiện ở phía đối diện. Những viên kim cương có nhiều mặt cho phép ánh sáng nảy lên ở bên trong và không không xuyên qua trực tiếp, làm cho sự ghi lại quang phổ FTIR trở lên khó khăn.

Điển hình, những viên kim cương được đặt dưới bàn ở một tầng thiết kế đặc biệt trong một thiết bị FTIR (xem lại hình 4) cho phép chùm hồng ngoại có thể truyền qua những phía đối diện của vùng đai, nơi các phản xạ nhỏ nhất bên trong có thể xảy ra. Sự hấp thụ xảy ra trong toàn bộ khoảng cách (hay chiều dài đường dẫn) nơi chùm hồng ngoại xuyên qua. Vì vậy, nếu có bất kì sự biến đổi nào trong các tạp chất Ni-tơ xảy ra trong một viên kim cương dọc theo đường dẫn này, chúng sẽ được thêm tự động cùng nhau để tạo ra quang phổ hồng ngoại hỗn hợp.

Sự pha trộn của các loại kim cương không phải là duy nhất với những viên kim cương tự nhiên. Hầu hết các viên kim cương tổng hợp (HPHT) phát triển thành loại Ib. Nếu chúng là đối tượng cho nhiệt độ cao hoặc trong suốt hay sau thời gian phát triển trong phòng thí nghiệm, những nguyên tử Ni-tơ có xu hướng liên kết để tạo ra những viên kim cương tổng hợp loại Ia với nồng độ còn sót lại của các nguyên tử Ni-tơ tách biệt.

Tương tự, nếu Bo xâm nhập vào vị trí tổng hợp (Ni-tơ cũng có mặt bởi vì nó khó loại trừ trong môi trường tổng hợp) thì kim cương hỗn hợp sẽ được hình thành. Khi các vùng có màu sắc xuất hiện, chẳng hạn trong một số loại kim cương tổng hợp (Ia, IIa, IIb) giống như ta thấy ở hình 7 (Shigley và đồng sự, 2004) phân biệt giữa các vùng của các loại khác nhau có thể dựa trên cơ sở màu sắc. Điều này là bởi các tạp chất khác nhau sinh ra các màu khác nhau và được biết rõ để làm phong phú hơn trong từng lĩnh vực tổng hợp kim cương cụ thể (Welbourn và đồng sự, 1996).

2000 cm-1 là tỉ lệ với độ dày của mẫu vật, cho phép bất kì phổ hồng ngoại nào chuẩn hóa để loại bỏ những ảnh hưởng của sự thay đổi độ đày của chiều dài đường dẫn (không quan trọng ánh sáng chiếu thế nào xung quanh bên trong viên kim cương - hình 8). Sau khi chuẩn hóa, vùng đỉnh kim cương hai và ba âm tử thực chất bị loại bỏ đi bằng cách loại trừ một chùm quang phổ tinh khiết loại IIa từ quang phổ kim cương dựa trên đường gốc không được biết rõ, để lại quang phổ chỉ hiển thị những đỉnh hấp thụ gây ra bởi tạp chất. Những cường độ đỉnh cao này có thể được đo và nồng độ tạp chất có thể được tính toán từ chúng sử dụng những phương trình rút ra từ những viên kim cương với nồng độ tạp chất đã biết. (Kiflawi và đồng sự, 1994, Boyd và đồng sự, 1994-1995).

Kết quả cuối cùng là một phép đo của nồng độ tuyệt đối của các tạp chất của nhiều cấu hình khác nhau trong một viên kim cương. Hầu hết các nồng độ tạp chất ni-tơ báo cáo trong các tài liệu được tính toán theo cách đó.

Nồng độ của các tạp chất ni-tơ trong một viên kim cương có thể được xác định bởi quang phổ hấp thụ FTIR. Nồng độ của mỗi dạng ni-tơ được tính toán từ hệ số hấp thụ của nó ở một bước sóng xác định. Quang phổ của kim cương loại II tinh khiết được trừ đi để thu được hệ số hấp thụ của vùng bên trong kim cương. ( ví dụ những vùng chỉ liên quan đến các-bon). Trong khi rất nhiều dạng ni-tơ có mặt ở một mẫu vật – tập hợp A và B- sự loại bỏ của các dải là cần thiết của bởi vì chúng gối lên nhau.

Hình 8. Nồng độ của các tạp chất Ni-tơ trong một viên kim cương có thể được xác định bởi quang phổ hấp thụ FTIR. Nồng độ của mỗi dạng Ni-tơ được tính toán từ hệ số hấp thụ của nó ở một bước sóng xác định. Quang phổ của kim cương loại II tinh khiết được trừ đi để thu được hệ số hấp thụ của vùng bên trong kim cương. ( ví dụ những vùng chỉ liên quan đến Các-bon). Trong khi rất nhiều dạng Ni-tơ có mặt ở một mẫu vật – tập hợp A và B- sự loại bỏ của các dải là cần thiết của bởi vì chúng gối lên nhau.

Tìm kiếm

Mới Cập Nhật