Structure Defects in Type Ⅰa Brown Diamonds by Polychromatic Synchrotron Radiation Topography
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摘要: 同步辐射白光形貌术具有射线强度大、准直性好、摄谱时间短、分辨率高等特点, 是无损研究晶体缺陷的有效工具.采用该方法对产自山东蒙阴、辽宁瓦房店和湖南沅江3个矿区的31颗典型金刚石样品进行了研究.白光形貌像揭示, 金刚石中普遍存在晶体结构畸变的特征, 并且变形程度不等, 部分严重变形晶体具有异常劳埃衍射式样; 其衍射斑点的形态、衬度及条纹变化反映了金刚石晶体结构变形的程度和复杂性.晶格的完整性与金刚石的褐色强度无明显相关性.该类结构缺陷与金刚石的复杂形成过程和深部保存条件有关.Abstract: Polychromatic synchrotron radiation (SR) is an effective method for the non-destructive study of diamond crystal defects. Its advantages include the use of intense X-ray, short exposure time, high collimation and high resolution. The SR method was applied to 31 diamond crystals from three major Chinese diamond mine areas: Mengyin in Shandong Province, Wafangdian in Liaoning Province and Yuanjiang area in Hunan Province. The diamond crystals generally showed structure deformation and had different degrees of deformation. Some diamonds with serious deformation demonstrated strong asterism and spot fragmentation in Laue pattern. Factors such as shape, contrast and the interior structure of reflexes in Laue patterns indicate the degree and complexity of crystal deformation.Resultsshow that the crystal imperfections have not obvious relationship to the intensity of the diamonds' brown color. It is likely that crystal defects correlate with the complex crystallization processes and deep environment of diamonds.
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Key words:
- structure defect /
- diamond /
- synchrotron radiation /
- polychromatic topography
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金刚石复杂多变的生长环境往往导致晶体中产生多种缺陷, 如位错、晶格参数变化、包裹体、多类型杂质中心等, 致使原来成分均匀单一的晶体发生不同程度的晶格畸变(奥尔洛夫, 1977). Harris (1992)研究表明, 褐色金刚石的颜色与晶体形成期后遭受的塑性变形有关.
X射线形貌术利用X射线在晶体中传播与衍射的动力学原理(巫翔等, 2003), 根据晶体完整部分和非完整部分的衍射衬度差异和消光规律来研究晶体的结构缺陷.但传统X射线衍射法摄谱时间长, 一般需要十几分钟至数小时, 且分辨率不高.与普通X射线相比, 同步辐射(许顺生和冯端, 1987; 马礼敦和杨福家, 2001) 是一种新型光源, 其发散度极小, 强度比普通X射线大3~4个数量级, 空间分辨率达几个微米, 能快速扫描晶体不同衍射矢量的多个形貌像, 简化衍射式样的解码过程, 迅速评价晶体的结晶完整程度.波长范围约为5~15 nm的同步辐射X射线可以透过厚度小于5 mm的金刚石晶体, 不需要进行样品预处理就可以观察到衍射结果, 是无损研究晶体缺陷的有效工具.
郭起志等(1995)、李兰杰和郭起志(1999) 利用同步辐射白光形貌术和荧光分析等方法, 对2颗产自辽宁的金刚石进行研究, 发现其中存在位错、亚结构和孪晶界等结构缺陷, 分析了位错的类型及其特征量. Rylov et al. (2001)对30颗具有多种结晶形态的金刚石单晶体进行同步辐射形貌研究, 揭示了金刚石不同的晶体变形结构. Yu et al. (2002)、于万里和田玉莲(2003)对1颗产自辽宁的金刚石和1颗合成金刚石进行同步辐射白光形貌术研究, 采用异向入射成像技术, 计算出晶体缺陷的空间方位.
目前为止, 国内发现了辽宁瓦房店和山东蒙阴2个金刚石原生矿区和湖南沅江流域金刚石次生矿区.由于条件限制, 对这3个产地的金刚石进行参比性研究的工作相对较少.本文利用同步辐射白光形貌术对3个产地的金刚石晶体进行较系统的讨论, 提供不同褐色强度晶体的结构缺陷信息, 揭示金刚石生长结构变形特征和形成环境变化的复杂性.
1. 实验原理
同步辐射白光形貌像相当于透射劳埃像.当入射的准直连续谱透射到晶体上时, 晶面按照其与入射束的相对位置, 选择满足衍射条件的波长产生衍射, 在底片上形成衍射斑点.属于同一个晶带的各晶面族的衍射斑点分布在以该晶带轴为轴的圆锥面上, 圆锥面与底片相交成二次曲线.本文采用劳埃透射方式, 因此属于同一个晶带的衍射斑点分布在通过底片中心的椭圆上(滕凤恩等, 1997).
每个衍射斑点都可以看成是一个晶体的形貌像.衍射斑点的形状和内部细节可以反映晶体的完整程度, 但也与射线源的形状、发射或收敛的性质以及其他几何条件有关.本文实验是在同一测试条件下完成的, 因此实验结果具有横向可比性.
2. 实验样品和方法
2.1 样品特征
选取产自国内3个矿区的31颗金刚石单晶体进行测试.其中不同褐色强度及具典型衍射形貌像的7颗样品特征见表 1.样品类型由Nicolet550型傅立叶红外光谱仪(FTIR) 测得.
表 1 测试样品的特征和类型Table Supplementary Table Characteristics and types of diamond samples2.2 实验方法
利用中国科学院高能物理研究所正负电子对撞机同步辐射连续谱作为射线源.同步辐射能量为2.2 GeV, 水平与垂直接收角皆为1 mrad, 形貌几何分辨率小于0.001 mm.采用劳埃透射装置, 样品与底片距离为40 mm, 曝光时间为1~1.5 s.为避免出现双面成像造成的影像重叠现象, 采用了单面显影技术.
3. 实验结果与分析
为了客观描述样品的结构特征, 必须将劳埃衍射式样和衍射斑点的形貌进行联合观察分析.劳埃衍射式样描述的是晶体的整体缺陷情况, 而斑点形貌代表的是晶体的内部结构特征, 通常与晶体的初始形成过程和后生变形作用有关(Rylov et al., 2001).
测试结果表明, 所选择的测试样品绝大多数都发生了变形.按照其变形的强弱程度可以分为3类, 即无变形或弱变形、中等变形、严重变形.其中, 发生中等变形样品的衍射斑点显示晶体具有位错、变形带等结构缺陷, 但其劳埃图没有产生星状现象, 如样品LW8、SM301所示; 发生严重变形样品的衍射斑点呈破碎状, 或者其劳埃图产生星状现象, 如样品HD501、SM372、LW352、SM337.
图 1a是近无色金刚石HD547的衍射斑点放大像, 其衬度均一, 斑点没有发生拉长或变形现象, 表明晶体的完整程度较高.图 1b是微褐色金刚石LW8具有条带结构的衍射斑点放大像, 由图可见晶体中存在位错.图 1c是金刚石HD501的劳埃衍射图, 白色方形窗口是由于贴放在底片中央的小块铅皮吸收了透过晶体的光束造成的, 窗口周围的黑色部分是没有被吸收完全的透射光残余.金刚石HD501呈深褐色, {100}面上具有由2组滑移线交叉形成的网格.由图 1c可见, 衍射斑点明显拉长, 从中心向四周散射, 显示星状现象, 表明晶体的变形程度较强烈.
图 2a, 2b是褐色金刚石SM301的衍射斑点放大像, 显示两种变形结构.图 2a中, 衍射斑点的2组变形带以大约70°角相交, 斑点边缘的变形线出现弯曲.图 2b中, 平行排列的滑移线横穿整个晶体, 其劳埃图如图 2c所示, 衍射斑点总体呈不规则状.
样品SM372颜色分布不均匀, 总体呈微褐色, 中心近1/4区域呈褐色, 界线清晰, 图 3显示其衍射斑点放大像, 衍射斑点明显拉长, 内部显示有位错线分布, 同时其劳埃图产生星状现象, 亦表明晶体受到较强烈的变形.
图 4是金刚石SM337的衍射斑点放大像, 衍射斑点呈破碎状, 由许多复杂形状和大小的碎片拼成, 同时其劳埃图也出现星状现象, 表明晶体发生严重变形.金刚石LW352虽然衍射斑点也呈破碎状, 但其劳埃图没有星芒化, 表明晶体受到的塑性变形作用没有样品SM337强烈.
4. 讨论和主要结论
(1) 劳埃衍射式样及衍射斑点的内部细节可以揭示晶体形变的相关信息.晶格较完整的晶体显示正常的劳埃衍射式样, 衍射斑点衬度均一、未发生变形, 当晶体遭受变形或者晶格不完整时, 衍射斑点的各区域显示衬度差异或者斑点被拉长(彭志忠, 1982); 当变形严重时, 劳埃图会出现星状现象, 同时衍射斑点可能破碎. (2) 测试结果表明, 绝大多数金刚石都发生了中等或者严重变形.发生中等变形样品的衍射斑点显示位错、变形带等结构, 或者被明显拉长, 其劳埃图中衍射斑点多呈不规则状.发生严重变形样品的衍射斑点呈破碎状, 或者其劳埃图产生星状现象, 说明晶体中不同方向的晶格区域发生了多重错位, 如果进一步加大变形程度, 晶体就可能会碎裂. (3) 晶体的褐色强度与晶格的完整程度无明显关系.晶体HD547和LW352都呈近无色, 但其衍射结果显示很大的差异.前者的衍射斑点衬度均一, 斑点未发生变形, 表明晶体结构较完整; 而后者的衍射斑点呈破碎状, 表明晶体变形程度较严重.深褐色金刚石HD501和浅褐色样品SM337的劳埃图都发生星芒化, 但前者的衍射斑点未发生破碎, 后者的衍射斑点破碎成许多复杂形状和大小的碎片, 表明浅褐色样品的变形程度大于深褐色样品. (4) 金刚石的结构缺陷可能由多种原因引起: ①在过饱和的结晶介质条件下生长时(Bulanova, 1995; 路凤香等, 1998), 金刚石在形成块状晶体的过程中引入了裂隙和包裹体, 从而引起晶体缺陷的产生; ②缺陷也可能是晶体在经历几个生长阶段后, 遭受塑性变形引起的.金刚石最初形成时, 晶格可能比较完整, 随后在地幔高温(> 1 200 ℃) 塑性条件下存留时, 晶体开始产生变形.变形的方式多种多样, 例如金刚石晶体会呈现挤压、弯曲、大角度旋转错位和扭结等特征, 使得晶格产生各式各样的结构样式, 如上述研究样品中呈现的交叉变形带、平行位错线、条带结构等.
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表 1 测试样品的特征和类型
Table 1. Characteristics and types of diamond samples
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