黃色CVD合成鉆石

寶石級的CVD合成鉆石通常為IIa型，偶見IaA型。此外，十多年前曾報道過一顆直徑3mm的刻面Ib型黃色CVD合成鉆石 (J.E. Butler, “Chemical vapor deposited diamond: Maturity and diversity,” Interface, Spring 2003, pp. 22–26)。據我們所知，從那以后還沒有寶石級的Ib型CVD合成鉆石的記錄。

紐約實驗室最近檢測了這樣一顆樣品。這顆彩黃色、方形刻面的Ib型CVD合成鉆石重0.40克拉，大小為4.20 × 4.12 × 2.55 mm（圖1）。

圖1.這顆0.40克拉、方形刻面的Ib型CVD合成鉆石，顏色級別被評為彩黃（Fancy yellow）。照片由Sood Oil (Judy) Chia拍攝。

在這顆樣品中檢測到CVD合成鉆石中典型的強硅-空穴([Si-V]^–)心，在633nm激發的PL光譜中位于736.5和736.9nm 處。

和1344 cm^–1 處的峰顯示了孤氮原子(Ns⁰)對碳原子的替代 (圖2)。氮是造成黃色的原因。通過對樣品在中紅外光譜1000cm^{–1^–1范圍的吸收進行計算，氮含量為4.5ppm。}–1400 cm

和1344 cm^–1）。測得鉆石的拉曼峰位于1331 cm^–1。還檢測到3107 cm^–1處與氫有關的吸收，以及位于2948, 2920, 2905, 2873, and 2849 cm^–1與C-H有關的峰。另外還有未知的3030、 3032 cm^–1雙峰。

在生長過程中，氮可能是被無意混入，也可能是人為添加以控制單晶CVD合成鉆石的生長速率。

DiamondView圖像顯示了彎曲的綠色紋理，說明生長過程中存在條件變化（圖3，左）。DiamondView還展現了位于底尖附近的明顯的生長現象，分別為綠色和綠藍色的區域（圖3，中）。顯微鏡下觀察到石墨化的壓力暈圈（圖3，右）和腰上的羽狀紋。正交偏光下可觀察到典型的CVD應力——局部的“榻榻米”狀結構和低應力部位的顏色。

圖3. DiamondView發光圖像可見彎曲的綠色紋理，反映了生長條件的變化（左）。在底尖附近可見綠色和藍綠色區域明顯的生長現象（中）。顯微鏡下觀察到石墨化的應力暈圈(右，放大112.5倍)。另外還在腰圍上觀察到小的羽狀紋（未展示）。圖片由Kyaw Soe Moe拍攝。

證據表明這顆樣品合成后經過了后期處理：3107 cm^–1處是與氫有關的峰，而C-H有關的峰位于2948, 2920, 2905, 2873, 和 2849 cm^–1（圖2）。我們并沒有發現位于3123 cm^–1的中性的氮空穴-氫復合心([N-V-H]⁰)。這些結果指示了樣品經過高溫高壓處理。還檢測到位于3030–3032 cm^–1 的未知雙峰。用514nm 激光源PL光譜檢測到強的N-V（氮-空穴）缺陷：575(NV⁰) 和637 (NV^–) nm。在氮摻雜的單晶的CVD合成鉆石中，通常會含有負價的氮空穴-氫復合心([N-V-H]^–)，但是它不穩定。經高溫高壓處理后，氫原子發生解離，形成C-H和and N-V心。

這顆樣品還檢測到其他缺陷，如H3和H2。經高溫高壓處理的CVD合成鉆石可出現這兩個心。DiamondView 下觀察到的綠色位錯就是由H3引起的。

CVD合成鉆石通常帶有不受歡迎的褐色調。可以通過高溫高壓處理獲得漂亮的黃色，正如這個樣品所展現的。

Ib型 CVD合成鉆石在技術應用領域也受到關注，特別是在量子運算方面（見E. Gibney, “Flawed to perfection: Ultra-pure synthetic diamonds offer advances in fields from quantum computing to cancer diagnostics,” Nature, Vol. 505, 2014, pp. 472–474）。

N-V電子自旋可以作為量子運算的基本單位，稱為“量子比特”。量子比特不局限于傳統計算機中二進制比特的“0” 或 “1”兩個狀態，而可以同時存在于二進制兩端的狀態和介于兩端的所有中間狀態——雖然概念十分復雜，但它可以導致運算能力的大幅提升。

P. Neumann在他2012的博士論文（Towards a room temperature solid state quantum processor: The nitrogen-vacancy center in diamond）中提到，他合成了微米級別的黃色Ib型 CVD合成鉆石并進行了后續的處理（電子束輻照及退火），使其產生NV心。經輻照后，顏色由原先的黃色轉變為綠色，再退火后會變為紫粉色。

圖2.這顆黃色CVD合成鉆石的中紅外光譜顯示了孤氮原子的替代（Ns⁰ ，1130cm^–1 ），中紅外光譜位于1130cm^–1 。