Классификация алмазов по содержанию азота

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ ХУДОЖЕСТВЕННОЙ ОБРАБОТКИ  МАТЕРИАЛОВ

 

 

 

 

Доклад 

На тему

«Классификация  алмазов по содержанию азота»

 

 

 

 

 

Работу выполнила:

Кафедра

Группа:

 

 

 

Москва, 2012

 

 

СОДЕРЖАНИЕ АЗОТА В  АЛМАЗЕ

АЗОТ (N). Впервые примесь азота в кристаллах алмаза была обнаружена Кайзером и  Бондом в 1959 году посредством метода газовой хроматографии. Они установили, что содержание азота в алмазах колеблется в широких пределах и достигает в некоторых кристаллах 0,23 % (~ 4·1020 атом·см-3). Этими исследователями выявлено, что коэффициент поглощения при линии 1280 см-1 в ИК-спектрах коррелирует с содержанием примеси азота (рис. 14). Содержание азота может быть рассчитано по формуле: n = 3,3 · 10-5 Nα, где N – число атомов в 1 см3 решетки алмаза, равное 1,73·1023 атом·см-3, α – коэффициент поглащения при длине волны 7,8 мк (1280 см-1). Позднее Лайтоулерс и Дин в 1964 году, используя активационный анализ, проводили прямое количественное определение примеси азота в алмазах и подтвердили данные Кайзера и Бонда.

Радиоактивационный  метод с использованием g-лучей  и нейтронов для активации  атомов азота обладает очень высокой  чувствительностью (~10-6) и позволяет  делать точные количественные определения примеси азота в алмазах. В результате проведенных исследований установлено, что в алмазах типа I находится максимальное содержание азота (до ~ 0,25%), в алмазах типа II концентрация  его не превышает ~0,001%

Азот  образует в структуре алмаза различные  дефектные центры, сильно влияющие на свойства алмазов. Некоторые из этих центров являются ответственными за парамагнитный резонанс. Наиболее часто в алмазах парамагнитные центры представлены одиночными атомами азота, изоморфно замещающими углерод. Азот, входящий в алмаз в этой форме, может быть установлен с помощью ЭПР, однако этот метод не дает возможности определить все количество примеси азота, так как обычно азот образует в структуре природных алмазов такие центры, которые не вызывают парамагнитного резонанса

Приблизительное определение общего содержания азота  методом ЭПР возможно только в  интенсивно окрашенных в зеленый  цвет оболочках зональных кристаллов, относящихся к четвертой разновидности, в которых, как показали исследования, азот находится в основном в парамагнитном состоянии.

При исследовании спектров ЭПР установлено, что наряду с  азотом 14N в алмазах присутствует незначительное количество изотопа 15N. В одном из кубических кристаллов алмаза, имеющем интенсивную янтарно-желтую окраску (разновидность II), содержание 15N составляло приблизительно 1/180 концентрации 14N.

 

 

В алмазах типа I содержание азота достигает 4 · 1020 атом·см-3 (~ 0,25%), в настоящее время алмазы этого  типа иногда называются «азотными». В  алмазах типа II содержится азота менее 0,001% (1015 – 1018 атом·см-3) и в противоположность алмазам типа I их называют «безазотными». Кроме того, встречаются алмазы промежуточного типа, в которых содержание азота колеблется в пределах 0,001-0,01%.

Азот встречается  во всех разновидностях кристаллов и  поликристаллических образований алмаза. Непосредственных количественных определений азота в поликристаллических образованиях алмаза не делалось, но спектры ЭПР, обусловленные примесью азота, наблюдались во всех их разновидностях.

Большой интерес  представляют данные о распространенности алмазов, содержащих примесь азота. Во всех месторождениях алмазы типа II, т. е. «безазотные», встречаются в резко подчиненном количестве по отношению к алмазам типа I, относительно обогащенных азотом. Исключением является трубка «Премьер» (Южная Африка), где, как отмечают некоторые исследователи, алмазы типа II распространены очень широко. Среди мелких кристаллов из этого месторождения алмазы типа II составляют до 90% от общего числа алмазов, но с увеличением размера кристаллов процент алмазов типа II резко падает.

Давно было установлено, что алмазы типа I имеют зонарное строение по октаэдру. В последнее  время выявлено, что в отдельных зонах этих кристаллов находятся неодинаковые количества примеси азота, образующего разные дефектные центры в структуре алмаза.

По результатам исследования элементов-примесей в алмазах можно  сделать вывод, что почти постоянно  в них присутствуют Si, Al, Ca, Mg и Mn. Часто обнаруживаются Na, Ba, Cu, Fe, В, Cr и Ti. Железо и титан находятся почти постоянно в кристаллах с оболочками (причем, как правило, вместе), тогда как в кристаллах обычной разновидности Fe фиксируется не часто, a Ti исключительно редко. Остальные элементы: Sr, Co, Zr, P, Sc, La, Lu, Pt, Ag, Au и Pb находятся в алмазах от случаях к случаю. Содержание их в разных кристаллах незначительное; корреляции в сонахождении не выявляется.

Пытаясь установить причину  отличия физических свойств алмазов  типа I и типа II, исследователи старались  выяснить, отличаются ли они по составу примесей. Числей в 1942 году отметил, что один из проанализированных им алмазов, относившихся к типу II, был наиболее чистым, те. содержал наименьший количество примесей, Сюзерленд с соавторами высказывали предположение, что алмазы типа I содержат больше примесей. Как позднее было выяснено, в алмазах этого типа действительно находится значительно больше примеси азота, чем в алмазах типа II. Что же касается примеси других элементов, то в некоторых случаях алмазы типа II оказываются относительно обогащенными ими по сравнению с алмазами типа I.

  Обычно, производя спектральные анализы, исследователи пытались установить разницу в составе примесей в бесцветных и окрашенных алмазах и обнаружить относительное обогащение окрашенных кристаллов элементами, которые могли бы быть хромофорами. Числей отметил, что такие элементы, как Fe и Tir имеют тенденцию присутствовать в окрашенных алмазах. М. А. Гневушев и Я. М. Кравцов предположили, что желтая окраска обусловлена примесью Fe, а в некоторых случаях оказывает влияние и Ti. Можно было думать, что Fe и Ti будут постоянно фиксироваться в желтых алмазах вместе или порознь

Однако  в настоящее время определенно  установлено, что желтая окраска  алмазов вызвана примесью азота, что показывается в гл. VI. Указывавшиеся ранее химические особенности желтых и других окрашенных алмазов объясняются следующим образом. При сравнении результатов эмиссионного анализа разных разновидностей кристаллов алмаза, отобранных Числеем для исследования, выясняется, что Ti и Fe обнаружены им в основном в окрашенных алмазах, представленных кристаллами с оболочками, в которых эти элементы фиксируются почти постоянно, независимо от окраски. Из 14 окрашенных кристаллов первой разновидности Fe установлено им только в шести кристаллах, a Ti – в одном. Это, конечно, не дает основание утверждать, что Fe и Ti имеют тенденцию присутствовать в окрашенных алмазах вообще; это верно только для IV разновидности кристаллов алмаза.

Некоторые исследователи пришли к выводу, что  лиловато-розовая окраска алмазов вызвана примесью Мn. Согласно этой точке зрения, примесь Мn должна постоянно фиксироваться в этих алмазах и, очевидно, количественно преобладать по сравнению с другими алмазами