CN104018213A

CN104018213A - 一种仿碧玺的合成碳硅石宝石及其制备方法

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Publication number: CN104018213A
Application number: CN201410206288.8A
Authority: CN
Inventors: 付芬; 徐现刚; 胡小波; 陈秀芳; 彭燕
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: CN104018213B

Abstract

本发明涉及仿碧玺的合成碳硅石晶体及其制备方法。所述碧玺类型包括绿色碧玺和多色碧玺。通过向6H-SiC和4H-SiC的生长体系中掺杂N杂质，可获得与绿色碧玺相似的绿色碳硅石单晶。本发明还提供仿多色碧玺的制备方法。本发明的绿色、多色仿碧玺的碳硅石材料具有颜色纯正、折射率高、硬度大、色散强，加工成宝石成品后颜色与碧玺极其相似，亮度更高、火彩更强，耐久性更优良。

Description

一种仿碧玺的合成碳硅石宝石及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种仿碧玺的合成碳硅石宝石及其制备方法，属于人工宝石技术领域。

背景技术

碧玺是我国宝石行业习用的名称，在矿物学中归属电气石族。碧玺是仅次于钻石、祖母绿的珍贵矿石，在清代官员的顶戴上都会有一颗碧玺，以象征其官阶、身份。碧玺颜色多彩绚丽、透明，其独特的美获得了世人的厚爱。如CN301308365S挂件(09碧玺-01)即为绿色碧玺饰品。但是天然碧玺数量少，加工成饰品价格昂贵。

合成碳硅石是钻石的高端仿制材料，碳硅石具有200多种不同的晶型，每一种晶型都有不同的物理和光学性质，颜色也略有差别。常见的晶型，如六方晶系的4H、6H-SiC呈现无色，立方晶系的3C-SiC呈现黄色。在掺入不同杂质的情况下，碳硅石的颜色更是丰富多彩。中国专利文件CN101037806A通过一种彩色碳硅石单晶及其制备方法与人造宝石的制备，该彩色碳硅石单晶是在无色的碳硅石单晶或通色掺杂的彩色碳硅石单晶中含有间隔的掺杂元素的彩色条纹。利用升华法生长碳硅石单晶的过程中,通过掺杂V、N等元素制得。所得彩色碳硅石单晶经过切割、研磨和抛光加工成具有彩色条纹的碳硅石人造宝石。获得的彩色碳化硅单晶颜色包括绿色、黄色和近无色，而且在该技术的基础上获得的碳化硅单晶颜色均一，透明性好可用于加工成刻面的绿色碳硅石人工宝石。随着市场上碧玺价格的逐年上升，仿碧玺材料的研发也逐渐成为热点，但合成碳硅石尚未被用来制作仿碧玺饰品。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种仿碧玺的合成碳硅石宝石。本发明还提供上述仿碧玺的碳硅石的制备方法，得到的碳硅石可切磨加工成与绿色碧玺及多色碧玺相仿的刻面宝石。

术语解释

绿色碧玺：黄绿至深绿以及蓝绿、棕绿色碧玺的总称。

多色碧玺：由于碧玺色带十分发育，有在一个单晶体上出现不同颜色的色带；色带也可以沿Z轴为中心由里向外形成色环，内红外绿者称为“西瓜碧玺”。

晶型共生的碳硅石衬底：是指在整片碳硅石衬底上存在两种及两种以上的不同碳硅石晶型，整片衬底表现为具有不同的颜色区域，色域之间界线明显。

本发明的技术方案如下：

一、碳硅石单晶仿绿色碧玺

一种仿绿色碧玺的合成碳硅石宝石，该宝石是在4H-SiC或6H-SiC碳硅石单晶中含有N掺杂元素的色彩，其中的N掺杂元素的浓度足以产生肉眼可辨的颜色；所述N掺杂元素的原子浓度为5×10¹⁶～2×10²⁰/cm³。

根据本发明优选的，N掺杂元素的原子浓度为1×10¹⁸～2×10¹⁹/cm³。

优选的，在4H-SiC碳硅石单晶中含有N掺杂元素的浓度为5×10¹⁸/cm³～2×10¹⁹/cm³，该宝石颜色为黄绿色或草绿色宝石；

优选的，在6H-SiC碳硅石单晶中含有N掺杂元素的色彩，该宝石颜色为浅绿色、深绿色或湖蓝色。

优选的，将上述仿绿色碧玺的合成碳硅石切磨成长方型或祖母绿型，加工成刻面宝石，以生长面作为台面。进一步优选祖母绿型切工将上述单晶进行切磨加工，得到仿绿色碧玺的祖母绿型碳硅石宝石。

根据本发明，所述仿绿色碧玺的合成碳硅石宝石的制备方法，包括采用升化法进行晶体生长，步骤如下：

将4H-SiC籽晶或6H-SiC籽晶置于坩埚的上盖底部，SiC粉料置于坩埚底部，生长室压力在20～150mbar，升温到2000～2500℃，底部的SiC粉料分解为Si、SiC₂和Si₂C三种主要气相成分，输运到温度较低的籽晶表面，通过沉积，使得晶体不断生长；在生长过程中通过通入适量N₂，使4H-SiC或6H-SiC中掺入的N浓度足以产生肉眼可辨的颜色，得到仿绿色碧玺的碳硅石单晶。

二、碳硅石单晶仿多色碧玺

仿多色碧玺的合成碳硅石宝石，该宝石是在4H-SiC或6H-SiC碳硅石单晶中含有N掺杂元素的色彩，其中N掺杂元素的浓度在晶体生长方向上有2-3个不同浓度的区间，足以产生肉眼可辨的颜色深浅不同的颜色区域。

优选的，上述仿多色碧玺的合成碳硅石中N掺杂元素的原子浓度为1×10¹⁶～2×10²⁰/cm³。

优选的，上述仿多色碧玺的合成碳硅石中，N掺杂元素的的浓度在晶体生长方向上有2个不同浓度的区间，分别是原子浓度为2×10¹⁹/cm³～2×10²⁰/cm³和2×10¹⁷～2×10¹⁸/cm³。

优选的，上述仿多色碧玺的合成碳硅石中，N掺杂元素的的浓度在晶体生长方向上有3个不同浓度的区间，分别是原子浓度为(1-2)×10²⁰/cm³、(1-9)×10¹⁸和2×10¹⁷/cm³。

一种仿多色碧玺的合成碳硅石宝石的制备方法，采用升化法结合氮气流量控制法进行晶体生长，步骤如下：

将4H-SiC籽晶或6H-SiC籽晶置于坩埚的上盖底部，SiC粉料置于坩埚底部，生长室压力在10～100mbar，升温到2000～2500℃，底部的SiC粉料分解为Si、SiC₂和Si₂C三种主要气相成分，输运到温度较低的籽晶表面，通过沉积，使得晶体不断生长；在生长过程中通过通入适量N₂，且分时段调控通入氮气的流量，使4H-SiC或6H-SiC中掺入的N浓度在晶体生长方向上有2-3个不同浓度的区间足以产生肉眼可辨的颜色深浅不同的颜色区域，制得仿多色碧玺的合成碳硅石。

优选的，上述仿多色碧玺的合成碳硅石单晶切磨加工成长方型或祖母绿型，以垂直生长面的侧面作为台面。

三、晶型共生碳硅石仿多色碧玺

仿多色碧玺的合成碳硅石宝石，是以晶型共生的碳硅石衬底作为籽晶，并控制合适的杂质浓度、温场、压力条件，在晶型共生的籽晶上继续生长晶型共生碳硅石晶体，不同晶型的碳硅石具有不同的颜色，从而获得了仿多色碧玺的效果。

优选的，该仿碧玺宝石是在晶型共生碳硅石晶体中掺入N杂质元素得到不同颜色组合的多晶型碳硅石晶体，所述晶型共生碳硅石晶体选自以下任一种，但不仅限于下面列表：

4H-SiC分别与3C-SiC、8H-SiC、15R-SiC、24R-SiC或27R-SiC共生，

6H-SiC分别与3C-SiC、8H-SiC、15R-SiC、24R-SiC或27R-SiC共生，

3C-SiC与24R-SiC或27R-SiC共生，

8H-SiC与24R-SiC或27R-SiC共生，

15R-SiC与24R-SiC或27R-SiC共生，

24R-SiC和27R-SiC共生；

根据本发明优选的，上述掺入N杂质的原子浓度为2×10¹⁷～2×10²⁰/cm³。

表1、晶型共生碳硅石晶体中掺入N杂质元素得到不同颜色组合的多晶型碳硅石晶体

仿多色碧玺的合成碳硅石宝石的制备方法，采用晶型共生法，步骤如下：

将两种或两种以上不同颜色共存的碳硅石晶型共生的籽晶置于坩埚的上盖底部，高纯SiC粉料置于坩埚底部。生长室压力在50～120mbar，升温到2000～2500℃，底部的SiC粉料分解为Si、SiC₂和Si₂C三种主要气相成分，输运到温度较低的籽晶表面，通过沉积，使得晶体不断生长。在生长过程中通过通入适量N₂，使晶体中掺入的N浓度达到2×10¹⁷/cm³～2×10²⁰/cm³，得到多型共生的碳硅石晶体。制得仿多色碧玺的碳硅石宝石。

本发明的优良效果：

通过上述方法获得的绿色、多色仿碧玺的碳硅石材料具有颜色纯正、折射率高、硬度大、色散强，因而加工成宝石成品后颜色与碧玺极其相似，亮度更高、火彩更强，耐久性更优良。

附图说明

图1晶型共生法获得的绿色-黄色晶型共生碳硅石晶体的俯视图。1.黄色区域；2.绿色区域。

图2晶型共生法获得的绿色-黄色晶型共生碳硅石晶体的侧视图。1.黄色区域；2.绿色区域。

图3氮气流量控制法获得的深绿色-浅绿色的碳硅石单晶。3.浅绿色层；4.深绿色层。

图4是实施例1的晶体实物照片。

图5是实施例2的晶体实物照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、一种仿绿色碧玺的合成碳硅石单晶，制备方法如下：

将4H-SiC籽晶置于坩埚的上盖底部，高纯SiC粉料置于坩埚底部。生长室压力在50～100mbar，升温到2200～2300℃，底部的SiC粉料分解为Si、SiC₂和Si₂C三种主要气相成分，输运到温度较低的籽晶表面，通过沉积，使得晶体不断生长。在生长过程中通过通入适量N₂，使4H-SiC中掺入的N浓度达到1×10¹⁹/cm³，得到草绿色碳硅石单晶。

将上述单晶以生长面为台面，切磨加工成长方型宝石，或者祖母绿型刻面宝石后，颜色与天然绿色碧玺相同，亮度略高。如图4所示。

实施例2、一种仿多色碧玺的合成碳硅石单晶，制备方法如下：

将4H-SiC和15R-SiC晶型共生的籽晶(绿色和黄色共存)置于坩埚的上盖底部，高纯SiC粉料置于坩埚底部。生长室压力在50～120mbar，升温到2000～2500℃，底部的SiC粉料分解为Si、SiC₂和Si₂C三种主要气相成分，输运到温度较低的籽晶表面，通过沉积，使得晶体不断生长。在生长过程中通过通入适量N₂，使晶体中掺入的N浓度达到2×10¹⁹/cm³，得到草绿色-黄色碳硅石晶体。优选祖母绿型切工将上述单晶进行切磨加工，得到如图1所示的仿绿色碧玺的碳硅石宝石。

将上述仿绿色碧玺的碳硅石宝石以生长面为台面切磨加工祖母绿型刻面宝石后，成品颜色与绿色-黄色的多色碧玺相同。如图5所示。

实施例3、一种仿多色碧玺的合成碳硅石晶体，制备方法如下：

将6H-SiC籽晶置于坩埚的上盖底部，高纯SiC粉料置于坩埚底部。生长室压力在50～120mbar，升温到2000～2500℃，底部的SiC粉料分解为Si、SiC₂和Si₂C三种主要气相成分，输运到温度较低的籽晶表面，通过沉积，使得晶体不断生长。在前期生长过程中通过通入适量N₂，使6H-SiC中掺入的N浓度达到2×10¹⁹/cm³，得到深绿色碳硅石单晶；后期停止通N，残余N杂质的浓度约2×10¹⁷，得后期生长的碳硅石颜色为浅绿色。得到如图3所示的仿多色碧玺的碳硅石宝石。

在以垂直生长面的切面作为台面加工成长方型刻面宝石后，成品颜色与深绿色-浅绿色的多色碧玺极其相似。

Claims

1.一种仿绿色碧玺的合成碳硅石宝石，该宝石是在4H-SiC或6H-SiC碳硅石单晶中含有N掺杂元素的色彩，其中的N掺杂元素的浓度足以产生肉眼可辨的颜色；所述N掺杂元素的原子浓度为5×10¹⁶～2×10²⁰/cm³。

2.如权利要求1所述的仿绿色碧玺的合成碳硅石宝石，其特征在于在4H-SiC碳硅石单晶中含有N掺杂元素的浓度为5×10¹⁸/cm³～2×10¹⁹/cm³，该宝石颜色为黄绿色或草绿色宝石；或者，

在6H-SiC碳硅石单晶中含有N掺杂元素的色彩，该宝石颜色为浅绿色、深绿色或湖蓝色。

3.如权利要求1或2所述的仿绿色碧玺的合成碳硅石宝石，其特征在于将所述仿绿色碧玺的合成碳硅石切磨成长方型或祖母绿型，以生长面作为台面，加工成刻面宝石。

4.权利要求1或2所述的所述仿绿色碧玺的合成碳硅石宝石的制备方法，包括采用升化法进行晶体生长，步骤如下：

5.一种仿多色碧玺的合成碳硅石宝石，该宝石是在4H-SiC或6H-SiC碳硅石单晶中含有N掺杂元素的色彩，其中N掺杂元素的浓度在晶体生长方向上有2-3个不同浓度的区间，足以产生肉眼可辨的颜色深浅不同的颜色区域；所述仿多色碧玺的合成碳硅石中N掺杂元素的原子浓度为1×10¹⁶～2×10²⁰/cm³。

6.如权利要求5所述的仿多色碧玺的合成碳硅石，其特征在于，N掺杂元素的的浓度在晶体生长方向上有2个不同浓度的区间，分别是原子浓度为2×10¹⁹/cm³～2×10²⁰/cm³和2×10¹⁷～2×10¹⁸/cm³；或者，

在仿多色碧玺的合成碳硅石中，N掺杂元素的的浓度在晶体生长方向上有3个不同浓度的区间，分别是原子浓度为(1-2)×10²⁰/cm³、(1-9)×10¹⁸和2×10¹⁷/cm³。

7.如权利要求5或6所述的仿多色碧玺的合成碳硅石宝石的制备方法，采用升化法结合氮气流量控制法进行晶体生长，步骤如下：

8.一种仿多色碧玺的合成碳硅石宝石，是以晶型共生的碳硅石衬底作为籽晶，在晶型共生碳硅石晶体中掺入N杂质元素得到不同颜色组合的晶型碳硅石晶体，所述晶型共生碳硅石晶体选自以下任一种：

4H-SiC分别与3C-SiC、8H-SiC、15R-SiC、24R-SiC或27R-SiC共生，

6H-SiC分别与3C-SiC、8H-SiC、15R-SiC、24R-SiC或27R-SiC共生，

3C-SiC与24R-SiC或27R-SiC共生，

8H-SiC与24R-SiC或27R-SiC共生，

15R-SiC与24R-SiC或27R-SiC共生，

24R-SiC和27R-SiC共生；

掺入N杂质的原子浓度为2×10¹⁷～2×10²⁰/cm³。

9.如权利要求8所述的仿多色碧玺的合成碳硅石宝石的制备方法，采用晶型共生法，步骤如下：

将两种或两种以上不同颜色共存的碳硅石晶型共生的籽晶置于坩埚的上盖底部，高纯SiC粉料置于坩埚底部。生长室压力在50～120mbar，升温到2000～2500℃，底部的SiC粉料分解为Si、SiC₂和Si₂C三种主要气相成分，输运到温度较低的籽晶表面，通过沉积，使得晶体不断生长；在生长过程中通过通入适量N₂，使晶体中掺入的N浓度达到2×10¹⁷/cm³～2×10²⁰/cm³，得到晶型共生的碳硅石晶体；制得仿多色碧玺的碳硅石宝石。