Xuất bản thông tin

Xuất bản thông tin

Hệ thống phân loại "Type - Diamond" (Loại kim cương) và tầm quan trọng trong ngọc học

 

 

 

Kim cương tinh khiết chỉ có một nguyên tố là carbon. Những nguyên tử trong kim cương được sắp xếp theo một cấu trúc đặc biệt (mạng tinh thể) không giống với bất kì một loại đá quý nào khác. Tuy nhiên, nguyên tử của những nguyên tố như là nitrogen (N) và boron (B) có thể thay thế một số nguyên tử carbon trong mạng tinh thể kim cương. Những tạp chất khác cũng có thể có mặt trong kim cương nhưng hệ thống phân loại loại kim cương chỉ dựa trên sự hiện diện hoặc vắng mặt của tạp chất nitrogen và boron và cách chúng sắp xếp trong mạng tinh thể (hình 1)

 

1. Sự phân loại loại kim cương

 

Hệ thống phân loại loại kim cương được hình thành dựa trên sự hiện diện hoặc vắng mặt của nitrogen – tạp chất phổ biến nhất trong kim cương. Kim cương loại I là loại kim cương có chứa tạp chất N mà có thể đo được bởi phổ hồng ngoại, trong khi đó kim cương loại II thì không có chứa đủ N có thể nhận biết bằng phổ hồng ngoại. Những loại này thường được chia thành những cấp nhỏ hơn dựa trên đặc điểm của tạp chất mà nó có mặt.

 

Kim cương loại I được chia thành loại Ia và loại Ib. Cả hai phụ nhóm này đều chứa N, nhưng nguyên tử N trong mỗi nhóm thì được sắp xếp khác nhau.

 

- Trong loại Ib, những nguyên tử N đơn lẻ thay thế nguyên tử carbon trong mạng tinh thể thì cách ly (isolated) với những nguyên tử N khác, nghĩa là chúng không nằm cạnh nhau trong mạng tinh thể. Những tạp chất N loại này thường được gọi trong các văn liệu khoa học bằng những từ như là: isolated N, single substitutional NC centers.

 

- Ngược lại, kim cương loại Ia chứa những nguyên tử N nằm sát bên nhau, trong loại này có hai dạng liên kết N có thể nhận biết được bằng phổ hồng ngoại.

 

+ Loại liên kết phổ biến nhất đối với kim cương loại Ia là hai nguyên tử N liên kết với nhau trong mạng tinh thể. Mặc dù hai nguyên tử này chiếm hai vị trí cạnh nhau, nhưng mỗi cặp N thì cách ly với cặp khác trong mạng tinh thể. Những tạp chất N này thường được gọi là A aggregates (hoặc A centers) và kim cương chứa tạp chất này được gọi là loại IaA.

 

+ Loại liên kết còn lại là bốn nguyên tử N bao quanh một lổ hổng (vacancy – là một vị trí trong mạng tinh thể mà không có chứa bất kì nguyên tử nào) một cách đối xứng. Những tạp chất này được gọi là B aggregates (hoặc B centers) và được gọi là kim cương loại IaB.

 

Hình 1: Hệ thống phân loại loại kim cương dựa trên sự hiện diện hoặc vắng mặt của tạp chất nitrogen và boron và những loại liên kết của chúng trong mạng tinh thể kim cương. Biểu đồ này miêu tả cách mà nguyên tử N và B thay thế nguyên tử C trong mạng tinh thể kim cương. Kim cương loại Ia chứa tạp chất N tập hợp gồm A aggregates và B aggregates. Kim cương loại Ib chứa nguyên tử N cách ly. Kim cương loại IIa không chứa tạo chất có thể đo được, và loại IIb chứa tạp chất boron.

 

Kim cương loại II được chia thành loại IIa và IIb.

 

- Kim cương loại IIa không có chứa tạp chất N hoặc boron có thể đo được bằng phổ hồng ngoại

 

- Kim cương loại IIb cũng không chứa tạp chất N, nhưng thay vào đó là chứa tạp chất boron thay thế carbon trong mạng tinh thể. Tính chất đặc trưng của kim cương loại IIb là độ dẫn điện tốt (do tạp chất boron).

 

Hình 2: Màu chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi tạp chất/tâm màu trong mạng tinh thể kim cương. Do đó, loại kim cương đóng vai trò quan trọng trong khả năng tạo màu của kim cương tự nhiên, tổng hợp hoặc xử lý. Hình trên thể hiện một số màu đặc trưng của mỗi loại. Ảnh: GIA

 

2. Mối quan hệ giữa loại kim cương và xử lý màu

 

Kim cương tự nhiên thường có màu liên quan với loại của chúng (hình 2). Ví dụ: kim cương tự nhiên loại Ia thường không màu, nâu, hồng hoặc tím, trong khi đó kim cương loại Ia được xử lý màu thường phổ biến màu vàng, cam, đỏ, xanh dương và lục. Kim cương loại Ib gần như luôn luôn có màu nâu, vàng hoặc cam, trong khi đó kim cương loại Ib được chiếu xạ nhân tạo và ủ nhiệt thường có màu hồng hoặc đỏ. Xử lý HPHT (High Pressure, High Temperature) có thể tạo ra màu vàng từ kim cương loại Ib. Xử lý HPHT có thể cải thiện kim cương loại IIa màu nâu nhạt thành không màu hoặc màu hồng, và có thể tạo ra màu xanh dương từ một số kim cương loại IIb. Tuy nhiên, xử lý HPHT không thể biến đổi kim cương loại Ia thành không màu, vì vậy nếu một nhà ngọc học xác định rằng viên kim cương không màu là loại Ia thì không cần phải gởi tới những phòng thí nghiệm để kiểm tra thêm nữa (một ít kim cương tổng hợp không màu xuất hiện trên thị trường gần đây là loại IIa)

 

Hầu hết những phương pháp xử lý để tạo ra, thay đổi hoặc loại bỏ màu ở kim cương được thực hiện dựa trên sự tái sắp xếp những khuyết tật (defects) trong mạng tinh thể kim cương. Dựa vào loại kim cương có thể xác định được những tâm màu có thể được tạo ra hoặc bị phá hủy trong quá trình xử lý, từ đó sẽ thu được kết quả mong muốn. Chiếu xạ thường được thực hiện trên tất cả các loại kim cương để tạo ra màu lục hoặc xanh dương, vì vậy trong trường hợp này thì loại kim cương không quan trọng. Tuy nhiên, nếu chiếu xạ và sau đó là quá trình ủ nhiệt với nhiệt độ khoảng 800 – 10000C để tạo ra màu vàng hoặc màu hồng thì loại kim cương của vật liệu ban đầu trước khi xử lý là rất quan trọng. Kim cương loại I sẽ thường thay đổi thành màu vàng đậm, cam, hồng hoặc đỏ khi được chiếu xạ sau đó ủ nhiệt, trong khi đó kim cương loại II hiếm khi cho ra màu đậm do thiếu những tạp chất (chủ yếu là N) cần thiết để tạo ra những tâm màu. Vì vậy, các nhà ngọc học phải lưu ý rằng kim cương loại II thường không trải qua quá trình xử lý chiếu xạ sau đó ủ nhiệt.

 

Để phát hiện xử lý HPHT cần phải hiểu sâu sắc về loại kim cương. Trong hầu hết trường hợp, xử lý HPHT chỉ làm mất màu kim cương loại IIa (hình 3). Điều kiện HPHT sẽ làm thay đổi màu nâu – những vùng bị biến dạng trong viên đá – trở thành không màu hoặc gần không màu. Đôi khi xử lý HPHT có thể biến đổi kim cương loại II thành màu hồng hoặc xanh dương. Trong khi đó kim cương nâu loại I nếu được xử lý HPHT sẽ thay đổi thành những tông màu khác nhau của màu vàng (do sự hiện của tạp chất N). Gần đây sự kết hợp giữa xử lý HPHT và chiếu xạ với ủ nhiệt áp suất thấp được sử dụng để tạo ra màu hồng, đỏ, cam đậm hơn trong cả kim cương loại Ia và IIa.

 

Hình 3: Ảnh hưởng của xử lý HPHT phụ thuộc mạnh mẽ vào loại của kim cương trước khi xử lý. Kim cương nâu loại IIa có thể trở thành không màu bởi vì màu nâu liên quan với sự biến dạng dẻo trong mạng tinh thể thì dễ dàng bị biến đổi bởi nhiệt độ và áp suất cao; thường thì không có tâm màu mới được tạo ra trong quá trình này do sự vắng mặt của tạp chất N. Kim cương nâu loại Ia chứa một lượng lớn N tập hợp nên sẽ bẫy những lổ hổng trong quá trình xử lý để tạo ra tâm H3 và phá hủy N tập hợp thành nitrogen cách ly; cả hai quá trình này kết hợp với nhau sẽ tạo ra viên kim cương màu vàng

 

3. Mối quan hệ giữa loại kim cương và kim cương tổng hợp

 

Trong những năm gần đây, sản lượng kim cương tổng hợp HPHT tăng lên đáng kể và kim cương tổng hợp CVD (chemical vapor deposite) bắt đầu đi vào thị trường đá quý. Vì vậy, các nhà ngọc học phải chịu một áp lực rất lớn để phát hiện những loại kim cương tổng hợp trong phòng thí nghiệm này. Loại kim cương có thể cung cấp một ít dấu hiệu về kim cương tổng hợp. Kim cương tổng hợp HPHT gần như tất cả đều là loại Ib, loại này hiếm khi nào gặp trong kim cương tự nhiên. Kim cương tự nhiên loại Ib thường chứa nhiều bao thể khoáng vật và có sức căng (strain patterns) nhiều màu sắc (quan sát dưới 2 nicol vuông góc). Ngược lại, kim cương tổng hợp HPHT loại Ib chỉ chứa bao thể  flux và chúng có sức căng rất yếu hoặc không có. Kim cương tổng hợp CVD hầu hết là loại IIa và đặc trưng là không màu hoặc màu nâu nhạt. Loại kim cương tổng hợp này có thể phân biệt với kim cương tự nhiên và kim cương được xử lý màu bằng sự vắng mặt của hiệu ứng sức căng dạng “tatami” (dạng sọc cắt nhau). Đôi khi cả phương pháp tổng hợp HPHT và CVD đều tạo ra kim cương tổng hợp loại IIb màu xanh dương. Sự vắng mặt của sức căng dạng “tatami”, kết hợp với sự hiện diện của độ dẫn điện có thể nhận dạng được kim cương tổng hợp loại này.

 

Hầu hết kim cương tổng hợp loại Ib xuất hiện trên thị trường gần đây đều có màu vàng đậm tới cam. Bởi vì chúng được tăng trưởng trong môi trường giống với môi trường  xử lý màu ở kim cương tự nhiên loại Ib, do đó màu của kim cương xử lý màu và kim cương tổng hợp rất giống nhau. Những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ tổng hợp kim cương CVD làm cho kim cương không màu loại IIa có thể nhầm lẫn với kim cương tổng hợp CVD.

 

Dịch: Trần Minh Tân

Nguồn: Gem & Gemology, Vol. 45, No. 2, pp. 96-111.