Trong thực tế, rất hiếm có viên kim cương nào hoàn toàn tinh khiết. Hầu hết đều chứa các khuyết tật tinh thể, phát sinh trong quá trình hình thành tự nhiên. Những khuyết tật này ảnh hưởng trực tiếp đến thẩm mỹ và giá trị thương mại của viên kim cương. Mời bạn cùng Kim Cương Cao Hùng tìm hiểu các phân loại và sự ảnh hưởng của khuyết tật trong kim cương trong bài viết dưới đây.
Phân loại các dạng khuyết tật kim cương
Khuyết tật nội tại (intrinsic defects)
Là các khiếm khuyết cấu trúc xảy ra do sự dịch chuyển của nguyên tử carbon, thường hình thành trong quá trình chiếu xạ, biến dạng dẻo… Bao gồm:
- Vacancy: Là vị trí bị thiếu nguyên tử carbon trong mạng tinh thể. Điển hình là tâm GR1 gây màu xanh lục sau khi chiếu xạ.
- Interstitial: Nguyên tử carbon bị bật khỏi vị trí bình thường và chiếm chỗ ở các vị trí không đúng trong mạng tinh thể.
- Cặp khuyết tật: Bao gồm các tổ hợp như vacancy-interstitial (Frenkel pair), divacancy, chuỗi nhiều vacancy sau quá trình ủ nhiệt…
- Dislocation và platelets: Là các khuyết tật dạng đường và mặt, ảnh hưởng đến tính chất cơ học và phát quang của kim cương tự nhiên.
- Voidites: Cụm rỗng nano có hình bát diện, thường chứa nitơ phân tử và hình thành sau sự phân rã của platelets ở nhiệt độ cao.
Khuyết tật ngoại lai (extrinsic defects)
Phát sinh khi các nguyên tố khác thay thế hoặc xen kẽ vào mạng tinh thể carbon, bao gồm:
Nitơ (N)
Là tạp chất phổ biến nhất, chiếm đến 1% khối lượng kim cương. Nitơ tồn tại ở nhiều cấu trúc:
- C center (Type Ib): Nitơ đơn thay thế carbon, tạo màu vàng đậm.
- A center (Type IaA): Hai nguyên tử nitơ liên kết gần nhau, không tạo màu sắc.
- B center (Type IaB): Bốn nguyên tử nitơ bao quanh một khoảng trống, không tạo màu nhưng ảnh hưởng đến quang phổ hồng ngoại.
- N3 center: Ba nitơ bao quanh một vacancy, liên quan đến phát quang tại bước sóng 415nm.
Boron (B)
Tạo ra kim cương màu xanh lam (Type IIb), hoạt động như chất nhận electron, gây tính dẫn điện nhẹ.
Phosphor (P)
Dùng trong kim cương CVD để tạo bán dẫn loại n. Phosphor có mức ion hóa thấp, phù hợp cho ứng dụng điện tử.
Hydrogen (H)
Thường gặp trong kim cương CVD, tồn tại dưới dạng tổ hợp với vacancy hoặc nitơ, gây nhiều đỉnh hấp thụ trong phổ hồng ngoại.
Nickel (Ni), Cobalt (Co), Chromium (Cr)
Xuất hiện trong kim cương tổng hợp HPHT do dùng làm chất xúc tác. Hình thành các trung tâm quang học, quang phát quang và từ cộng hưởng điện tử đặc trưng.
Silicon (Si), Germanium (Ge), Tin (Sn), Chì (Pb)
Hình thành tổ hợp impurity-vacancy, có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ lượng tử (như trung tâm Si-V, Ge-V…).
Sulfur (S)
Hiếm gặp, chỉ một vài khuyết tật sulfur-vacancy được phát hiện qua phổ EPR ở nồng độ rất thấp.
Sự ảnh hưởng của khuyết tật kim cương
Các khuyết tật hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau, dẫn đến kim cương có màu sắc đa dạng (vàng, xanh, nâu, xanh lục…). Một số trung tâm như N3, H3 có khả năng phát quang mạnh, được ứng dụng trong công nghệ cảm biến và lượng tử.
Các khuyết tật như boron hoặc phosphorus giúp kim cương dẫn điện, tạo nền tảng cho điện tử công suất cao. Phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ phát quang và EPR giúp nhận biết kim cương là tự nhiên, tổng hợp hay đã qua xử lý.
Sự tương tác giữa các khuyết tật của kim cương
Khuyết tật nội tại và ngoại lai có thể kết hợp tạo thành các tổ hợp mới như:
- N-V center: Tâm nitrogen-vacancy ứng dụng trong máy đo từ trường và máy tính lượng tử.
- H3, H4 center: Tạo bởi sự kết hợp giữa vacancy và các cụm nitơ, có ảnh hưởng mạnh đến màu sắc.
- Boron-interstitial: Gây hấp thụ mạnh ở vùng hồng ngoại xa.
Sau bài viết, hy vọng bạn đã hiểu rõ các dạng khuyết tật của kim cương, từ đó có thêm kiến thức phân biệt kim cương thật giả. Nếu còn thắc mắc về bài viết hoặc cần tư vấn thêm thông tin về kim cương, mời bạn liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ sớm nhất.