Происхождение алмаза: что исследуют микроскопия и спектральные методы

Происхождение алмаза связано с условиями формирования кристалла, а его внешность после огранки не раскрывает всю эту историю. Минфин 10 июня 2026 года объявил о планируемом разграничении торговых наименований природных и синтетических камней в России. Министерство называло 1 сентября 2026 года датой предполагаемого начала новых правил и связывало изменение с достоверностью сведений о происхождении товара. В геммологической лаборатории вопрос происхождения рассматривают через измеряемые признаки: включения, примеси, дефекты решётки и пространственную картину свечения.

Синтетический алмаз сохраняет алмазную кристаллическую структуру. Различия с природными образцами могут проявляться в примесях и особенностях роста, которые исследуют несколькими методами. Два экспериментальных исследования в Китае рассматривали разные группы материала: выращенные из газовой фазы кристаллы и бесцветные образцы, полученные при высоких давлении и температуре. Авторы сопоставляли микроскопические наблюдения со спектрами и локальными измерениями. Полученные результаты относятся к изученным выборкам, конкретным производителям и состоянию образцов, включая обработку после выращивания.

Описание иллюстрации

• Две экспериментальные работы
• 06.09.2022
• HPHT и природные образцы
• 11.09.2024
• Спектры CVD-образцов

Два способа выращивания кристалла

Химическое осаждение из газовой фазы обозначают сокращением CVD. При таком росте углеродсодержащие компоненты газовой среды участвуют в формировании алмаза на подложке, обычно небольшой алмазной затравке. В исследованном варианте использовалась микроволновая плазма с водородом и метаном. Растущая пластина наследует ориентацию подложки, а её поверхность и внутренние слои сохраняют особенности последовательного наращивания материала. Примеси могут попадать в кристалл из газовой смеси и окружающих материалов оборудования. Их состав и распределение связаны с конкретной технологией изготовления, которая различается между производителями и отдельными партиями.

Синтез при высоких давлении и температуре обозначают HPHT. В таких процессах применяют растворители и катализаторы, связанные с условиями роста алмаза. Остатки этих материалов способны сохраняться во включениях внутри кристалла. В исследованиях HPHT-алмазов рассматриваются металлические сплавы, карбиды и другие сопутствующие вещества. Состав включения описывает локальный участок, а спектр самой алмазной матрицы характеризует другую часть образца. Внешне бесцветные кристаллы могут содержать разные наборы таких особенностей. Поэтому изучение прозрачности и цвета дополняется наблюдениями за внутренним строением и химическими компонентами обнаруженных частиц.

Тип алмаза и чувствительность измерения

Классификация алмазов по примесям различает азотсодержащий тип I и тип II, в котором обычный инфракрасный анализ не обнаруживает азот. У типа Ia азот образует агрегаты, у Ib присутствует в виде отдельных атомов. Тип IIa выделяют при отсутствии определяемых азотных особенностей, а IIb связан с примесью бора. Такая классификация относится к результату определённого измерения. Она не означает, что всякий кристалл IIa полностью свободен от следовых примесей. Другой метод с большей чувствительностью может регистрировать дефектные центры, которые не дают заметной полосы в инфракрасном спектре.

Азотные примеси и вакансии, то есть незанятые позиции в решётке, образуют оптически активные центры. Их поведение связано с поглощением и испусканием света. Фотолюминесцентная спектроскопия регистрирует свечение после возбуждения лазером и способна выявлять малые концентрации таких центров. Инфракрасная спектроскопия, видимое поглощение и фотолюминесценция дают разные наборы наблюдений об одном материале. Результат зависит также от температуры, длины волны возбуждения и исследуемого участка. Поэтому сведения о способе измерения входят в описание спектрального признака вместе с положением зарегистрированной линии.

Шесть CVD-образцов в исследовании 2024 года

Юй Чжан (Yu Zhang), Гуанхай Ши (Guanghai Shi) и Цзысюань Се (Zixuan Xie) изучили шесть CVD-образцов производителя из провинции Чжэцзян. Работа опубликована 11.09.2024. Пять кристаллов находились в состоянии после выращивания, а один прошёл высокотемпературный отжиг при низком давлении, обозначенный LPHT. Цвет исследованных пластин изменялся от бесцветного до коричневого. Два образца были разрезаны и отполированы, остальные сохраняли первоначальную поверхность роста. Эта разница в подготовке позволяла рассматривать как обработанные грани, так и особенности исходной поверхности синтетического материала.

Исследователи применили геммологический и поляризационный микроскопы, инфракрасные измерения, спектры ультрафиолетового и видимого поглощения, рамановскую спектроскопию и фотолюминесценцию. Отдельно получали изображения свечения при коротковолновом ультрафиолетовом возбуждении в приборе «ДаймондВью» (DiamondView). Измерения выполнялись в Китайском геологическом университете в Пекине (China University of Geosciences, Beijing). Часть спектров получали при температуре жидкого азота. Внутри образцов сравнивали прозрачные области, тёмные включения и краевые участки. Такое разделение сохраняло связь между локальной особенностью кристалла и её оптическим откликом.

Описание иллюстрации

• Два способа синтеза алмаза
• CVD
• Газовая фаза
• Рост на затравке
• HPHT
• Высокое давление
• Высокая температура

Поверхность роста и напряжения внутри пластины

На неполированной поверхности одного из CVD-образцов микроскопия выявила параллельную слоистую текстуру. Расстояние между слоями изменялось в разных участках, а слоистое строение прослеживалось также сбоку. Тёмные края отдельных пластин состояли из поликристаллического алмазного материала. Внутри встречались чёрные точечные и хлопьевидные включения. Эти наблюдения описывают исследованные кристаллы в определённом состоянии подготовки. Полировка удаляет часть внешней поверхности, поэтому доступный набор морфологических особенностей у огранённого или обработанного материала может отличаться от набора признаков исходной пластины после роста.

При наблюдении между скрещёнными поляризаторами образцы показывали полосчатые и сетчатые картины аномального двупреломления. Более сильные эффекты возникали у краёв и рядом с включениями. Авторы связывали такие картины с напряжениями и дефектами внутри CVD-кристалла. Сами интерференционные цвета не выступали безусловным определителем происхождения: сходные по общему виду эффекты могут встречаться при разных особенностях внутреннего строения. Микроскопическое наблюдение поэтому сохраняет значение как характеристика напряжённого состояния и распределения неоднородностей. Его сопоставляли с другими результатами той же выборки, включая спектры и изображения люминесценции.

Оранжево-красное и синее свечение

В коротковолновом ультрафиолете основная часть CVD-пластин светилась оранжево-красным и показывала полосы, связанные со ступенчатым ростом. На поверхности появлялись также нерегулярные синие нити, пучки и сетчатые участки. Синее свечение было особенно заметно у тёмного края и некоторых включений. Отожжённый образец имел более слабую люминесценцию с локальными красными и зеленоватыми участками. Фосфоресценцию в изученной серии не наблюдали. Эти результаты относятся к конкретному способу возбуждения и шести исследованным пластинам; они не описывают все возможные цвета свечения синтетических алмазов.

Описание иллюстрации

• Разные измерения примесных особенностей
• Инфракрасный спектр
• Классификация IIa
• Фотолюминесценция
• Следовые дефекты

Микроинфракрасный анализ обнаружил различия между прозрачной областью и тёмными участками. У краёв и включений заметнее проявлялись полосы около 2920 и 2850 см⁻¹, связанные с углерод-водородными структурами. Более интенсивные особенности совпадали с областями сильного синего свечения. Авторы предположили связь этого свечения со структурами, возникающими при неполном удалении водорода из углеводородных компонентов во время роста. Это предложенное объяснение механизма, основанное на сопоставлении наблюдений. Оно сохраняет статус интерпретации исследователей, а не прямого измерения единственной причины каждого синего участка.

Азотные центры и инфракрасная классификация

В инфракрасных спектрах серии отсутствовали основные полосы азотных и борных примесей, по которым образцы отнесли к типу IIa. Одновременно фотолюминесценция показывала линии около 575 и 637 нм, связанные с азотно-вакансионными центрами в разных зарядовых состояниях. Таким образом, классификация IIa сочеталась с обнаружением следовых азотных дефектов более чувствительным методом. У выращенных без последующего отжига пластин присутствовала широкая полоса поглощения около 270 нм и ступень около 360 нм. Их характеристики отличались от соответствующих особенностей отожжённого образца в этой серии.

Рамановские измерения всех шести образцов выявили собственную алмазную линию около 1332 см⁻¹. Узкая форма этой линии соответствовала хорошей кристалличности изученного материала. В фотолюминесцентном анализе использовались лазеры с длинами волн 532 и 325 нм, а спектры снимали при низкой температуре. Один и тот же образец при разном возбуждении мог показывать разные по заметности дефектные особенности. Поэтому длина волны лазера и температурные условия сопровождали описание зарегистрированных линий. Наблюдение структурной алмазной линии и обнаружение отдельных оптических дефектов относились к разным частям исследования.

Описание иллюстрации

• Спектр и пространственное картирование
• Спектральная линия
• Оптический центр
• Карта сигнала
• Структура роста

Почему кремниевый центр требует контекста

Особенность около 737 нм связана с кремниево-вакансионным центром. В CVD-материал кремний способен попадать из элементов окружающей ростовой системы. Однако в серии 2024 года выраженный дублет 736,5 и 736,8 нм при одном из условий возбуждения проявлялся лишь у части образцов. У других пластин он отсутствовал или был очень слабым. Авторы сопоставляли эти результаты с ранее известными CVD-продуктами, у которых такой центр встречался чаще. Различия между сериями показывали изменчивость признака при изменении производителя, условий выращивания и последующей обработки кристалла.

Кремниево-вакансионный центр описан также у некоторых природных и HPHT-алмазов. Поэтому его присутствие или отсутствие рассматривали вместе с другими характеристиками. В исследовании 2024 года не обнаружили и ряд особенностей, ранее известных для некоторых CVD-продуктов: инфракрасную полосу 3123 см⁻¹ и фотолюминесцентный дублет 596–597 нм. Изученные пластины при этом оставались CVD-материалом с другими измеренными признаками роста. Такая вариативность относится к лабораторной идентификации конкретной продукции, где наблюдаемый набор особенностей зависит от технологии и истории образца. Отдельный отсутствующий пик не описывает всю эту историю.

HPHT-алмазы и природные образцы типа IIa

В работе Ин Ма (Ying Ma) и соавторов, опубликованной 06.09.2022, исследовали 11 бесцветных HPHT-алмазов и три природных бесцветных алмаза типа IIa. Синтетические образцы представляли трёх производителей: «Хуанхэ» (HuangHe), «Хуацзин» (HuaJing) и «Чжуннань» (ZhongNan). Природные камни происходили из месторождения в провинции Гуйчжоу. Выборка включала специально подготовленные пластины, на которых можно было изучать внутренние части и включения. Это были исследовательские образцы с известным происхождением, использованные для сравнения измеряемых характеристик, а не случайная партия готовых украшений из розничной торговли.

В синтетических камнях наблюдались точечные, стержневидные, каплевидные, древовидные и другие включения. Трубчатые и похожие на воздушного змея формы встретились в продукции одного производителя. Некоторые частицы были прозрачными, другие имели чёрное заполнение. Размеры и формы различались между образцами и источниками изготовления. Для слишком малых трубчатых и ромбовидных включений авторы не определили химический состав. Морфология здесь оставалась наблюдаемым признаком, а её происхождение не во всех случаях имело окончательное объяснение. Результаты для отдельных форм включений поэтому сопровождались указанием на пределы проведённого анализа.

Включения и их химический состав

Рамановская спектроскопия применялась для определения веществ во включениях без предварительного полного извлечения частиц из кристалла. В исследованном материале рассматривались карбиды, графит, металлические компоненты и сопутствующие фазы. Металлические или карбидные включения встречаются и в некоторых природных алмазах, поэтому сам факт наличия тёмной частицы не отделяет автоматически одну группу от другой. Авторы сравнивали её форму, спектральные характеристики и состав. Эти наблюдения относились к разным свойствам локального объекта: внешнему очертанию, связанным с ним колебательным особенностям и присутствующим химическим элементам.

Для выступавших на поверхность включений выполняли элементный анализ с лазерной абляцией и масс-спектрометрией. По четырём типичным бесцветным образцам получили 26 точек химических данных. В исследованных синтетических включениях существенными компонентами были железо, кобальт, никель и марганец в разных сочетаниях. При сравнении с доступными данными по природным карбидным включениям авторы выделяли различия в присутствии кобальта и марганца. При этом природные карбидные включения редки, а объём сведений о них ограничен. Исследователи прямо отмечали необходимость дополнительных сравнений природного материала, сохраняя границы имеющейся выборки.

Описание иллюстрации

• Масштаб исследованных выборок
• CVD: 6 образцов
• 5 после роста
• 1 после отжига
• HPHT: 11 образцов
• И ещё 3 природных
• Сравнение типа IIa

Карта свечения добавляет пространственные данные

Фотолюминесцентный спектр показывает, какие линии регистрируются при выбранном возбуждении. Картирование дополняет это сведениями о распределении сигнала по поверхности исследуемого сечения. В работе 2022 года составляли карты по выбранным спектральным особенностям, включая область 637 нм. Для исследованных HPHT-образцов распределение отражало секторы роста, тогда как у природных сравнительных образцов наблюдались многонаправленные линии и облаковидные области. Так спектральное измерение связывалось с пространственным строением кристалла. Вместо одного усреднённого отклика исследователи получали картину изменения выбранного сигнала между соседними участками подготовленной пластины.

Пригодность такого картирования зависела от интенсивности выбранной линии. Если сигнал был недостаточен, метод не давал нужного результата. В исследовании использовали различные длины волн возбуждения и охлаждение образцов, а карты строили по распределению площади спектрального пика после обработки базовой линии. Эти условия относятся к конкретному эксперименту. Карта не заменяла установление того, с какой особенностью связан выбранный сигнал, и не превращала любой слабый спектр в однозначное изображение роста. В анализе сохранялась связь между качеством сигнала, способом его регистрации и наблюдаемой внутренней морфологией.

История обработки меняет оптические признаки

Выращивание и последующая обработка представляют разные этапы истории синтетического кристалла. В CVD-серии 2024 года отожжённая пластина имела более светлую окраску, меньшую интенсивность красного свечения и локальные зеленоватые области. В её фотолюминесценции при одном из условий возбуждения появилась слабая особенность около 503,2 нм. Авторы обсуждали изменение дефектных центров после отжига, сохраняя различие между наблюдаемыми результатами и объяснением механизма. При этом некоторые инфракрасные характеристики оставались сходными у обработанного и необработанных образцов. Изменения не охватывали все методы измерения одинаковым образом.

Описание иллюстрации

• Разные свойства включения
• Микроскопия
• Форма и размер
• Локальный анализ
• Состав и свечение

Сопоставление CVD- и HPHT-выборок включает разные технологии роста, подготовку материала и наборы измерений. В одной работе рассматривались шесть пластин с анализом поверхностного свечения, в другой — 14 бесцветных образцов с изучением включений и пространственных карт. Эти количества задают фактический масштаб экспериментов. Ни одна из выборок не представляла весь мировой ассортимент выращенных и природных алмазов. Авторы формулировали выводы для исследованной продукции и указывали дополнительные направления проверки, включая изучение редких природных включений и сочетание нескольких оптических характеристик при установлении происхождения кристалла.

Какие сведения сохраняет лабораторное исследование

Разные методы фиксируют самостоятельные свойства исследуемого материала. Микроскопия описывает включения, ростовую текстуру и неоднородности; инфракрасный анализ — определяемые примесные особенности; фотолюминесценция — оптически активные центры при выбранном возбуждении. Картирование связывает спектральный сигнал с положением внутри образца. В обеих работах сочетание этих наблюдений составляло экспериментальное описание конкретных кристаллов. Измерения сопровождались кодом образца, условиями подготовки и сведениями об обработке после роста. Такой набор данных сохраняет различия между внешним видом камня, его структурными особенностями и результатом отдельного лабораторного теста.

• Тип IIa относится к определяемым примесям и сам по себе не устанавливает природное происхождение.
• Положение спектральной линии рассматривается вместе с возбуждением, температурой и другими особенностями образца.
• Химический состав включения дополняет его форму и оптические характеристики.
• Пространственная карта показывает распределение выбранного сигнала при достаточной интенсивности.

Отдельные образцы HPHT-серии показывали заметный разброс размеров включений. Кристалл HH-5 массой 0,35 карата содержал блоковидные и стержневидные частицы размером более 150 мкм. У J-2 массой 0,07 карата наблюдались трубчатые и похожие на воздушного змея формы в диапазоне 1–10 мкм. Кристалл Z-3 массой 1 карат содержал древовидные и точечные включения размером 1–80 мкм. У ряда других синтетических образцов отмечались точки меньше одного микрометра. Эти данные сохраняют привязку к кодам конкретных кристаллов, их массе и морфологии частиц, дополняя результаты спектральных и химических измерений.

Новостной контекст: Егор Алимов и Полина Елисова, РБК, 10.06.2026. Техническое объяснение подготовлено с переработкой и пересказом работ Юй Чжана (Yu Zhang), Гуанхай Ши (Guanghai Shi) и Цзысюань Се (Zixuan Xie), исследование спектров CVD-алмазов, 11.09.2024; Ин Ма (Ying Ma), Чжили Цю (Zhili Qiu), Сяоцин Дэн (Xiaoqin Deng), Тин Дин (Ting Ding), Хуэйхуан Ли (Huihuang Li), Тайцзинь Лу (Taijin Lu), Чжунхуа Сун (Zhonghua Song), Вэньфан Чжу (Wenfang Zhu) и Цзиньлинь У (Jinlin Wu), исследование включений бесцветных HPHT-алмазов, 06.09.2022. Обе работы опубликованы по лицензии Creative Commons «С указанием авторства» 4.0. Формулировки и иллюстрации созданы заново; исходные научные рисунки не воспроизводятся.