天然、合成藍(lán)寶石的拉曼光譜研究

□ TEXT 蔡善武 康亞楠 雷雅琇（深圳市博倫職業(yè)技術(shù)學(xué)校）

引言

藍(lán)寶石的主要化學(xué)成分為Al2O3，屬于剛玉類寶石。寶石界將除去紅寶石以外的所有剛玉寶石都稱之為藍(lán)寶石。藍(lán)寶石最主要的顏色是藍(lán)色，因?yàn)槠涔妍惖念伾?、較高的硬度及稀有性，近年來深受人們的喜愛，價(jià)格不斷攀升。在近20年的時(shí)間里，僅是中國山東的藍(lán)寶石從1990年初的幾十元一斤，到2000年左右論克賣再到現(xiàn)在論克拉銷售，且每克拉的價(jià)格從幾百元到上萬元不等，上漲千倍。2008年至2013年高品質(zhì)“濃艷藍(lán)色”、“矢車菊藍(lán)”顏色且凈度較好的斯里蘭卡藍(lán)寶石的凈漲幅高達(dá)200%～300%，緬甸藍(lán)寶石凈漲幅則高達(dá)300%～500%。市場上不斷出現(xiàn)眾多仿制品，如藍(lán)色玻璃、藍(lán)色尖晶石、藍(lán)色托帕石、合成藍(lán)寶石等。其中合成藍(lán)寶石因?yàn)樯L環(huán)境、條件與天然藍(lán)寶石非常近似，其顏色、寶石學(xué)屬性和天然藍(lán)寶石也最為接近。但合成藍(lán)寶石的價(jià)格卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然藍(lán)寶石，僅為幾十到幾百元一克拉，與天然藍(lán)寶石的價(jià)格相差可達(dá)數(shù)百倍之多。

藍(lán)寶石主要合成方法有焰熔法、助溶劑法和水熱法。它們各有其缺點(diǎn)：

1）焰熔法合成藍(lán)寶石主要含有氣泡與彎曲生長紋[1]；

2)助溶劑法合成藍(lán)寶石的內(nèi)部特征主要有：不同形態(tài)的助溶劑殘余、珀金金屬片等[1]；

3)水熱法合成藍(lán)寶石的內(nèi)部特征主要集中于種晶面上或附近，含有氣泡、細(xì)小包裹體及殘余的種晶片[2]。

現(xiàn)階段鑒別天然藍(lán)寶石與合成藍(lán)寶石，主要通過包體、生長紋理等內(nèi)部體征的差異來區(qū)分[3-4]。 隨著合成寶石技術(shù)日趨成熟、完善，合成藍(lán)寶石的彎曲生長紋更加趨于平直；部分形態(tài)的殘余助與天然藍(lán)寶石包體十分相似且金屬片出現(xiàn)的幾率較低；水熱法合成的藍(lán)寶石晶體可能會(huì)比較大，可直接去除種晶片及附近的包體，合成藍(lán)寶石的內(nèi)部會(huì)更加干凈。當(dāng)天然藍(lán)寶石與合成藍(lán)寶石內(nèi)部都非常潔凈時(shí)，則不能通過常規(guī)方法來鑒定、區(qū)別。

泰泓珠寶 供圖

藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu)為，簡正振動(dòng)模式為：

其中：2A1g和5Eg是拉曼活性[6-7]；A1g是內(nèi)模式拉曼振動(dòng)峰，歸屬于Al3+-O2--Al3+不對稱伸縮振動(dòng)、O2--Al3+-O2-伸縮振動(dòng)，是藍(lán)寶石的特征拉曼譜峰[8]；O2--Al3+-O2-對應(yīng)的417cm-1為最強(qiáng)振動(dòng)峰[9]，具有重要的鑒定意義。

本文利用拉曼光譜儀，通過測量天然藍(lán)寶石與合成藍(lán)寶石最強(qiáng)振動(dòng)特征峰的半高寬的差別來提供精確的鑒別依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

德國布魯克Senterra型激光拉曼光譜儀，測試條件為：激發(fā)光源785nm，積分時(shí)間10s，積分次數(shù)2次，分辨率3～5cm-1，光譜范圍100～2600cm-1，光斑大小50μ m～1000μ m，物鏡20倍，激光強(qiáng)度100mW。

圖1 天然藍(lán)寶石拉曼光譜

圖2 天然藍(lán)寶石拉曼光譜

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本次試驗(yàn)共收集了天然藍(lán)寶石樣品16件；焰熔法合成藍(lán)寶石樣品14件。每件樣品在不同方向共測試2～5個(gè)點(diǎn)，一共收集了116張譜圖，其中有效譜圖共88張。對天然藍(lán)寶石與合成藍(lán)寶石的417cm-1譜峰進(jìn)行洛倫茲線性擬合，并將擬合的誤差控制在R＜0.3的范圍內(nèi)。圖1、圖2為天然與合成藍(lán)寶石的拉曼光譜圖。圖3、圖4為417 cm-1洛倫茨線性擬合后，天然、合成藍(lán)寶石的譜圖。表1、表2為天然藍(lán)寶石與合成藍(lán)寶石擬合后的半高寬值。

圖3 天然藍(lán)寶石洛倫茲線性擬合

圖4 合成藍(lán)寶石洛倫茲線性擬合

合成藍(lán)寶石

表1 天然藍(lán)寶石的半高寬

從表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出天然藍(lán)寶石的半高寬都在4.6cm-1以上，合成藍(lán)寶石的半高寬均在4.6cm-1以下。這一半高寬的不同,可能是由于藍(lán)寶石的生成環(huán)境差異所造成的。目前人工合成技術(shù)中，由于溫度和壓力的控制要比自然環(huán)境理想，晶格的應(yīng)力較小，位錯(cuò)密度較低，相應(yīng)的聲子壽命較長，對應(yīng)合成藍(lán)寶石的線寬會(huì)比較窄。

表2 合成藍(lán)寶石的半高寬

泰弘 供圖

3 結(jié)論

利用德國布魯克Senterra型激光拉曼光譜儀對天然、合成藍(lán)寶石進(jìn)行拉曼光譜測試，同時(shí)對417cm-1譜峰進(jìn)行洛倫茲線型曲線擬合，擬合誤差控制在R＜0.3，收集其半高寬值，發(fā)現(xiàn)天然藍(lán)寶石和合成藍(lán)寶石的半高寬有所不同，天然藍(lán)寶石的半高寬均在4.6cm-1以上，合成藍(lán)寶石的半高寬均在4.6cm-1以下，此判據(jù)可作為天然、合成藍(lán)寶石的鑒別之用。