高温高压合成钻石晶体表面微形貌观察及其成因探讨_吴旭旭.pdf

2019 年 7 月 July 2019 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 38，No． 4 411 －417 收稿日期 2018 －11 －15; 修回日期 2019 －03 －18; 接受日期 2019 －04 －09 基金项目 国家自然科学基金项目 41473030， 41272086 作者简介 吴旭旭， 硕士研究生， 宝石学专业。E － mail 935694509 qq． com。 通信作者 陆太进， 博士， 主要从事钻石、 有色宝石的检测及仪器开发等研究。E － mail lutj ngtc． gov． cn。 吴旭旭，陆太进，杨池玉， 等． 高温高压合成钻石晶体表面微形貌观察及其成因探讨［ J］ ． 岩矿测试， 2019， 38 4 411 －417． WU Xu － xu，LU Tai － jin，YANG Chi － yu，et al． Observation of Surface Microstructure of HPHT Synthetic Diamond Crystals and Genesis Discussion［ J］ ． Rock and Mineral Analysis， 2019， 38 4 411 －417．【DOI 10． 15898/j． cnki． 11 －2131/td． 201811150122】 高温高压合成钻石晶体表面微形貌观察及其成因探讨 吴旭旭1， 2，陆太进1*，杨池玉1， 2，张健1，唐诗1，陈华1，张勇1，柯捷1，何明跃2 1． 自然资源部珠宝玉石首饰管理中心北京研究所，北京 100013; 2． 中国地质大学 北京 珠宝学院，北京 100083 摘要 我国作为世界上最大的合成钻石生产国， 其产量占据世界总产量的 90 以上， 其中以高温高压法 HPHT 合成钻石为主。国内外学者对于 HPHT 合成钻石物性的测试方法和性质分析较为完备， 但是对 HPHT 合成钻石生长完成后的酸洗过程以及酸洗后留下的内外部微形貌亟待研究。本文采用激光共聚焦显 微镜和超景深三维显微镜对 118 粒产自我国的 HPHT 合成钻石进行内外部特征观察， 并配合激光拉曼光谱 仪对这些微细结构内的包裹残余进行定性分析。发现了三类特征的结构类型 成一定夹角的阶梯型生长结 构， 揭示了 HPHT 合成钻石聚型晶的结晶学特质; 近平行线状划痕， 反映了生长腔体内钻石晶粒间的接触关 系; 通过独特的 “绳捆纹” 结构进行观察和分析， 认为这一结构反映了 HPHT 合成钻石的生长速率。这些钻 石表面的微形貌反映了 HPHT 合成钻石梯度高温和持续高压的生长条件和环境， 对于 HPHT 合成钻石的鉴 别具有指导意义。 关键词 合成钻石; 高温高压; 表面微细特征; 激光共聚焦显微镜; 晶体生长速率 要点 1 揭示和总结了 HPHT 合成钻石的三类特征结构。 2 提出并探讨了 HPHT 合成钻石中特征的 “绳捆纹” 结构。 3 分析论证了 HPHT 合成钻石内外微形貌与其生长机制的联系。 中图分类号 P575． 2文献标识码 A HPHT 合成钻石技术最早由美国 GE 公司于 1955 年提出， 已经历了数十年的发展与演进。近年 来， HPHT 合成钻石技术迎来了重大的突破， 美国的 AOTC 公司和 NDT 公司首先实现了批量生产大颗 粒无色合成钻石的技术 ［1 －2 ］。随后， 国内外许多公 司都逐渐具备生产大颗粒合成钻石能力。如今， 我 国是世界上的最大的 HPHT 合成钻石生产国， 每年 产量超过了 3000 吨。我国生产钻石企业众多， 其中 不乏上市公司如黄河旋风、 豫金刚石等。目前， 我国 钻石生产企业年产能超过百吨的企业就有 3 家 之多 ［1 ］。 现在 HPHT 合成钻石生产的技术已经十分成 熟。大多企业采用六面体静压法合成钻石， 将高纯 度的石墨与金属触媒 Fe、 Ni、 Mn、 Co 和籽晶一同放 入生长舱内， 在高温高压环境中， 一定的温度梯度可 以使得石墨在籽晶上缓慢地转化为钻石。生长完成 后， 钻石的表面被石墨和金属触媒包裹， 通过酸洗可 将这些杂质去除， 酸洗溶液由 90的浓硫酸和 10 浓硝酸调配而成， 能够溶解石墨和 Fe、 Ni 等金属物 质 ［2 ］。经酸洗去除杂质后钻石原石的表面会留下 各种各样的生长结构和微形貌。这些微结构可以反 映出钻石的生长条件和生长机理， 同时也是 HPHT 合成钻石的指示性特征。 在宝石级钻石领域， 合成钻石与天然钻石的鉴 114 ChaoXing 定与区分是一个十分重要的命题， 合成钻石的研究 与鉴定大多采用傅里叶红外光谱、 紫外可见光谱以 及拉曼光谱和光致发光光谱等谱学方法 ［3 ］， 根据红 外光谱、 光致发光光谱判断钻石中的杂质元素 ［4 ］以 及与杂质元素相关的晶格缺陷， 另外通过荧光发光 图像可观察钻石的生长结构 ［5 ］。借助以上方法可 鉴别合成钻石和天然钻石， 分析合成钻石的材料学 特征。但是对于 HPHT 合成钻石的酸洗特征以及原 石表面微形貌与结构特征的研究尚十分缺乏。本次 研究共选取了生产自我国某几家公司的 118 粒 HPHT 合成钻石样品。采用超景深显微镜和激光共 聚焦显微镜对它们的表面结构进行观察。 激光共聚焦显微镜 LSCM 可以克服景深的问 题， 沿垂直方向的扫描可实现光学断层扫描， 呈现出 待观察物体表面的清晰形貌， 对观察物体的表面细 微特征十分有效 ［6 ］。此外， 激光共聚焦显微镜还能 够对材料表面的形貌特征进行量化的表征， 这在一 些常规光学显微镜 如 偏光显微镜 中是无法实现 的。另外， 所测定的结构参数能够用于量化表征表 面细小结构的尺寸和形态。因此激光共聚焦显微镜 十分适合应用于研究和表征 HPHT 合成钻石的表面 微形貌。这些样品的表面大多具有独特的结构， 特 征明显， 配合拉曼光谱对这些结构区域作定性分析， 可以揭示一些 HPHT 合成钻石生长的原理和特点。 1实验部分 1． 1仪器与工作条件 本研究的仪器采用日本奥林巴斯的激光共聚焦 显微镜 型号 OLS5000 － SAF ， 该设备应用 405nm 激光光源， 额外附加了激光扫描装置和共轭聚焦装 置， 克服了景深问题， 可实现光学断层扫描; 日本基 恩士的超景深3D 显微镜 型号 VHX －600 ; 激光拉 曼光谱测试采用英国雷尼绍的共焦显微拉曼光谱仪 型号 inVia reflex ， 测试条件为 473nm 的 Ar 激发 线， 输出功率 10mW， 最佳分辨率为 1cm －1， 光谱扫 描范围 1400 ～ 100cm －1， 曝光时间 10s， 束斑直径 1μm， 扫描信号累加 3 次。 1． 2样品基本信息 本次实验的 118 粒 HPHT 合成钻石中有 2 粒为 黄色， 2 粒为蓝色， 其余均为无色 － 近无色， 质量为 0．2 ～0． 4ct 图 1 。样品大多为八面体和立方体的 聚形， 以 111 面为生长基底面， 基底面为不等边六 边形， 111 晶面较发育， 100 晶面较小。部分样 品肉眼可见内部含有暗色固体包裹体。表面生长痕 迹丰富， 与生长基底面平行的顶面相对较干净， 其他 晶面可见大量直线或曲线条带状结构， 晶面相交的 棱线处条带状结构不间断。样品表面还可见形状不 规则的凹坑、 阶梯状生长线等特征。 图 1HPHT 合成钻石， 主要为以 111 面为生长基面的 八面体 － 立方体聚形 Fig． 1HPHT synthetic diamond，octahedral － cubic polycrystals grown mainly on 111 plane 2结果与讨论 2． 1合成钻石晶体内部的结构特征 无论是天然钻石还是合成钻石晶体中都常见有 大量的塑性变形 晶格畸变 ， 主要原因与包裹体的 存在和杂质元素如氮、 硼和氢的分布不均匀有 关 ［7 ］。相比天然钻石， 合成钻石由于生长速度快， 塑性变形和缺陷的存在更为普遍。HPHT 合成钻石 具有许多富有特征性的微细结构， 这些结构存在于 钻石晶体的内部以及外部。这些结构能够解明 HPHT 合成钻石生长机制和条件。显微观察 HPHT 合成钻石经常可以看到大量愈合裂隙、 暗色包裹体， 以及规则或不规则的云状包裹体等结构特征 ［8 ］。 本次研究将一块具内部含有暗色包裹体的 HPHT 合成钻石沿包体处切开， 经酸洗处理使其内 部的包体空穴暴露于表面， 以便观察。通过激光共 聚焦显微镜成像 图 2 可以看到， 该包体空穴的横 截面呈现为半闭合线条型的不规则图案， 线条型空 穴内部可以看到阶梯型的生长纹理。这些空穴是由 不规则形状的金属触媒在钻石晶体生长过程中残留 于其内部所致， 这类包裹体所造成的内部和表面结 构大多为不规则的形状， 并且通常局部会存在阶梯 形状的生长特征。此外， 在该结构的中部存在一块 较大面积的空穴， 该空穴呈现出具有一定夹角的阶 梯型结构， 该夹角接近 120。这种阶梯状结构在合 成钻石中较为常见， 形成原因是由于位于钻石内部 214 第 4 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2019 年 ChaoXing 图 2激光共聚焦显微镜下 HPHT 合成钻石内金属触媒 包体被酸洗去除后留下的内部结构以及三维图形 Fig． 2Internal structure and 3D figure of the marks left by metal catalyst inclusion suffered from acid pickling in HPHT synthetic diamond under laser scanning confocal microscopy 的不规则状的金属触媒半包围形成一个狭小的空 隙， 在相对封闭的空间内， 生长原料不足， 晶体生长 未能填满空隙而留下了处于生长中间状态的阶梯型 结构。该阶梯结构的夹角约为 120， 与 HPHT 合成 钻石聚形晶体的夹角特征吻合， 是八面体与立方体 双晶的夹角类型 ［9 ］， 由此也揭示了 HPHT 合成钻石 的双晶特征， 可以作为 HPHT 合成钻石的指示性结 构特征。 图 3HPHT 合成钻石内金属触媒所留下的凹坑内不同微区的拉曼光谱 a 吸收峰 1582cm －1说明黑色包体内含有石墨， b 凹坑的无色区域则未检测到石墨的吸收峰 Fig． 3Raman spectrum of different micro － regions in pits left by metal catalysts in HPHT synthetic diamond a Absorption peak of 1582cm －1 indicates that the black inclusion contains graphite， b Absorption peak of graphite is not detected in the colorless area of the pit 通过激光共聚焦的三维扫描功能， 对这一细微 特征进行扫描。在三维空间建立一个立体的形貌 图， 能够看到这一结构的量化特征和深度信息。该 不规则空穴的纵向深度在 5 ～17μm 之间， 由一端向 另一端逐渐变浅。 为了进一步研究该结构内残留物质的成分， 本 次研究采用拉曼光谱对其进行了测试。拉曼光谱是 一种利用光子与样品中的分子发生非弹性碰撞获得 的散射光谱 ［10 ］。拉曼谱线的数目、 位移的大小、 谱 线的长度直接与样品分子振动或转动能级有关， 因 此测量 HPHT 合成钻石样品的拉曼位移可以对样品 的成分和结构做定性分析 ［10 －11 ］。拉曼光谱对于碳 键非常敏感， 钻石中的石墨包裹体能够被拉曼光谱 检测出来 ［12 ］。采用激光拉曼光谱仪对这一微结构 内的透明区域和凹坑处黑色包裹体分别进行微区测 试， 皆可见 1332cm －1的钻石峰， 凹坑的无色区域未 检测到石墨吸收峰 图 3b ， 而黑色包裹体处测得的 拉曼谱图则出现了 1582cm －1 的石墨拉曼峰 图 3a 。说明了空穴结构内有石墨包裹体的残留。 2． 2合成钻石表面微形貌特征 HPHT 合成钻石是等轴晶系的单晶体， 但是并 不意味着它的结构是均匀的， 事实上， 晶体与液体不 同， 总是在不同方向和不同位置上存在一定的缺 陷 ［11 ］。HPHT 合成钻石在经过酸洗后， 金属触媒和 石墨都会被溶解去除， 钻石则不会受到腐蚀和影响。 在晶体表面和内部存在应力和缺陷的位置往往是杂 质的富集区域， 经过酸洗处理后， 这些应力位置和缺 314 第 4 期吴旭旭， 等 高温高压合成钻石晶体表面微形貌观察及其成因探讨第 38 卷 ChaoXing 陷暴露出来， 留下了特征性的微细结构。最为常见 的是一些点状和线状的结构， 这些结构通常为钻石 表面的石墨和金属触媒导致的生长缺陷 ［10 ］。另外， 阶梯型的结构特征在 HPHT 合成钻石中也是十分常 见， 且往往伴随着 60或 120的夹角。 此外， 在 HPHT 合成钻石的表面常见有一些直 线或曲线的条带结构， 其近似平行呈一到两个方向。 这些条带沟壑内部平滑， 没有阶梯型的结构特征。 推测这一结构的产生， 是由于生长腔体内石墨相向 钻石相不断地发生相变， 两种相态的密度存在差异， 因而生长腔体的体积在生长过程中不断压缩， 腔体 内的钻石之间发生接触性位移， 在原始晶面上留下 许多线状的结构 图 4 。 图 4 HPHT 合成钻石表面点状和线状结构 Fig． 4Dotted and linear structure of HPHT synthetic diamond 另外， 在 HPHT 合成钻石的晶面常见一些直线 或曲线的条带结构、 平行生长基底面的环绕钻石分 布的条带结构， 这些结构能够连续地出现在相邻的 晶面上， 在此称其为 “绳捆纹” 结构 。“绳捆纹” 结构 边界平滑， 下凹宽度、 深度相对一致， 且能够连续地 出现在多个晶面上， 在钻石表面凹坑部位也未发生 中断 图 5 。 2． 3“绳捆纹” 结构的成因探讨 天然钻石原石中经常可以看到一些环带状和阶 梯状的生长结构， 这些生长结构揭示了天然钻石在 地球深部生长条件的变化过程， 不同的温压条件以 及机械应力能够影响钻石的生长速率及其微量化学 成分， 并对钻石晶体的宏观结构和特征造成影 响 ［13 ］。这一理论在 HPHT 合成钻石中同样适用。 在前人的研究中， 认为 HPHT 合成钻石表面常 见的线状结构是钻石在生长腔体内互相摩擦所致。 本次研究对这一结论提出质疑。首先 ， “绳捆纹” 下 图 5HPHT 合成钻石表面的 “绳捆纹” 结构， 该结构可贯穿 表面凹坑 Fig． 5The‘rope － tied pattern’of HPHT synthetic diamond， which can be seen in the pits on the surface of HPHT synthetic diamond 凹处的深度及宽度分布较为均匀， 而刻划往往会受 力不均导致划痕深浅宽窄不一致， 放大观察划痕可 见沿划痕两侧分布着不均匀半圆状断口， 而“绳捆 纹” 结构的凹痕平滑且深浅均匀。第二 ， “绳捆纹” 平行于钻石生长基底面成一个闭合的环， 但生长环 境中不具备钻石相互旋转摩擦刻划的条件。第三， 钻石表面可见一些不规则状的下凹坑， 应是石墨或 金属触媒导致的生长缺陷， 下凹坑本来由石墨或金 属触媒充填， 经酸洗后， 充填物去除， 只留下凹坑。 若生长过程中钻石相互刻划， 那么被充填物覆盖的 凹坑表面应没有划痕， 但“绳捆纹” 钻石表面的凹坑 处没有中断。由于这一结构通常贯穿多个晶面， 具有 同层的连续性， 钻石在生长腔体内的位移和摩擦通常 只在一个方向上发生， 不会在连续的两个晶面上出 现， 所以认为这一结构不是由于钻石颗粒间摩擦 所致。 “绳捆纹” 应当是一种生长特征。在 HPHT 合 成钻石生长过程中， 为促进结晶质量， 会采用梯度升 温法， 这种方法会影响钻石晶体的生长速率。另外， 在钻石生长过程中出现了原料不足或者温压条件变 化的情况， 导致该阶段钻石生长受影响， 出现同层生 长相对不充分从而产生内凹。两点论据可以支撑这 一论点 第一， HPHT 合成钻石的原料为高纯度石墨 片， 石墨片间隙的存在可能导致钻石生长出现短暂 的原料不足， 生产原料石墨外形成片状， 放置方向正 好平行于钻石生长基底面， 这与“绳捆纹” 方向和结 构符合。通过激光共聚焦显微镜的三维扫描功能能 够发现这一绳捆纹结构并非是单一的内凹沟壑结 414 第 4 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2019 年 ChaoXing 图 6多向穿插的线状结构和 “绳捆纹” 及其三维图像 Fig． 6Multidirectional interlaced linear structures and‘rope － tied pattern’and its 3D model 构， 同时还存在阶梯结构 图 6 。通过 LSCM 纵向 成像和纵面扫描功能， 可以看到“绳捆纹” 呈现出 “波浪状” 的阶梯结构。这可以有力地证明“绳捆 纹” 是一个与自身生长规律有关的结构特征。通过 激光共聚焦显微镜的测距功能可以量化“绳捆纹” 的深度和宽度数据， 数据显示该批样品所发现的绳 捆纹深度为 2 ～18μm， 宽度为 10 ～42μm。目前， 我 国 HTHP 合成钻石大多采用六面顶压机， 该设备运 用温度梯度法， 在高温高压下作为溶剂的金属触媒 处于碳素源与钻石籽晶之间。碳素源处于高温端， 籽晶处于低温端， 石墨转化为钻石并溶于触媒中， 在 一定温度梯度驱动下， 碳素将从高温处的高浓度区 向低温处的低浓度区扩散， 并在低温晶种处过饱和 而结晶析出， 实现钻石晶体生长的过程。一般的梯 度升温间隔为 2 ～ 4h， 绳捆纹结构可以用来反推 HTHP 钻石晶体的生长速率; 第二， 石墨相向刚金石 相转化的过程中由于体积会发生变化， 反应舱提供 的压力需要作出相应调整， 压力调整机制不够完善 可能导致生长不均匀。以上综合因素导致了这一 HPHT 合成钻石所独有的 “绳捆纹” 结构。 3结论 本研究分析了 118 粒国产无色 － 近无色的 HPHT 合成钻石表面及内部常见的三类特征的结构 类型和微形貌， 这些微形貌可以揭示 HPHT 合成钻 石的生长机制和生长条件。①不规则点状和条带状 凹坑以及近似平行的线条状结构是 HPHT 合成钻石 中最为常见的结构特征， 这一类特征与高温高压法 的生长环境中的机械作用有着密切的关联， 不规则 点状和条带状凹坑是石墨和金属触媒占据钻石生长 空间所致， 近似平行的一到两组线状结构推测是由 于生长腔体内钻石晶体的分布十分致密， 钻石晶体 间发生摩擦形成了这一刻划成因的结构; ②阶梯型 生长结构并伴有特定夹角反映了 HPHT 合成钻石的 生长双晶以及聚晶的特征， 可以作为 HPHT 合成钻 石的特征结构; ③本研究提出了“绳捆纹” 这一结构 特征， 其为 HPHT 合成钻石所特有， 呈现为线状， 近 似平行于籽晶台面， 且表现出同层的连续性， 在多个 晶面不间断。推测是片状石墨原料在生长过程中供 料不足以及温度梯度变化导致的结构生长缺陷。利 用这一结构特征结合生长的温度梯度间隔时间可以 估计出钻石晶体的生长速率与速率变化， 同时也能 够作为 HPHT 合成钻石的指示性结构特征。 对于 HPHT 合成钻石微结构的研究， 不应仅局 限于传统的观察测试手段， 应尝试更为量化的表征 手段和测试方法。这方面研究还有待进一步深入， 可采用放大倍数更大的仪器进行观察， 尝试在纳米 级别的范围内探讨分析。另外， 由于拉曼光谱无法 检测较重的金属元素， 因此应当采用适用于重金属 元素检测的仪器 如电子探针和 LA － ICP － MS 对 HPHT 合成钻石内微小的包裹体成分进行分析， 探 讨金属触媒在 HPHT 合成钻石内的残存状况。此 外， 还可以将表面微细结构的研究引申到化学气相 沉积法合成钻石， 对于两种不同工艺的合成钻石进 行比较。 4参考文献 ［ 1］D’ Haenens － Johansson U F S， Katrusha A， Moe K S， et al． LargecolorlessHPHT－ grownsyntheticgem diamonds from new diamond technology， Russia［J］ ． 514 第 4 期吴旭旭， 等 高温高压合成钻石晶体表面微形貌观察及其成因探讨第 38 卷 ChaoXing Gems ＆ Gemology， 2015， 51 3 260 －279． ［ 2］D’ Haenens － Johansson U F S， Kyaw S M， Johnson P， et al． Near － colorless HPHT synthetic diamonds from AOTC group［J］ ． Gems ＆ Gemology， 2014， 50 1 2 －14． ［ 3］尹龙卫， 李木森， 孙东升， 等． 人造金刚石晶体生长的 微观机制［ J］ ． 人工晶体学报， 2000， 29 4 386 －389． Yin L W， Li M S， Sun D S， et al． Microscopic observation of synthetic diamond growth produced in Fe － Ni － C system［ J］ ． Journal of Synthetic Crystals， 2000， 29 4 386 －389． ［ 4］陆太进． 钻石鉴定和研究的进展［ J］ ． 宝石和宝石学杂 志， 2010， 12 4 1 －5． Lu T J． Development on identification and research of diamond［ J］ ． Journal of Gems and Gemmology， 2010， 12 4 1 －5． ［ 5］宋中华， 陆太进， 柯捷， 等． 国产大颗粒宝石级无色高 压高温合成钻石的鉴定特征［ J］ ． 宝石和宝石学杂志， 2016， 18 3 1 －8． Song Z H， Lu T J， Ke J， et al． Identification characteristic of large near － colorless HPHT synthetic diamond from China［J］ ． Journal of Gems and Gemmology， 2016， 18 3 1 －8． ［ 6］Liu W C． A self － designed laser scanning differential confocal microscopy with a novel vertical scan algorithm for fast image scanning［J］ ． IFAC PapersOnLine， 2017， 50 1 3221 －3226． ［ 7］杨志军， 彭明生， 谢先德， 等． 金刚石的微区显微红外 光谱分析及其意义［J］ ． 岩矿测试， 2002， 21 3 161 －165． Yang Z J， Peng M S， Xie X D， et al． Micro － area analysis of diamond by micro － infrared spectrometry and its significance［J］ ． Rock and Mineral Analysis， 2002， 21 3 161 －165． ［ 8］宋中华， 陆太进， 苏隽， 等． 无色 － 近无色高温高压合 成钻石的谱图特征及其鉴别方法［J］ ． 岩矿测试， 2016， 35 5 496 －504． Song Z H， Lu T J， Su J， et al． The spectral characteristics and identification techniques for colorless and near － colorless HPHT synthetic diamonds ［J］ ． Rock and Mineral Analysis， 2016， 35 5 496 －504． ［ 9］杨志军， 彭明生， 蒙宇飞， 等． 金刚石中氮、 氢含量的变 化及在金刚石生长中的意义［ J］ ． 光谱学与光谱分析， 2007， 27 6 1066 －1070． Yang Z J， Peng M S， Meng Y F， et al． Distribution of nitrogen and hydrogen in diamond and its significance to nucleation and growth of diamond［J］ ． Spectroscopy and Spectral Analysis， 2007， 27 6 1066 －1070． ［ 10］Lu T J， Ke J， Qiu Z L． Surface dissolution features and contact twinning in natural diamonds［J］ ． Journal of Mineralogy and Geochemistry， 2018， 195 2 145 －153． ［ 11］苑执中， 杨志军， 彭明生． 金刚石的晶格畸变［J］ ． 矿物岩石地球化学通报， 2002， 21 2 114 －116． Yuan Z Z， Yang Z J， Peng M S． Lattice distortion in diamonds［J］ ． Bulletin of Mineralogy，Petrology and Geochemistry， 2002， 21 2 114 －116． ［ 12］ Ferrari A C， Robertson J． Raman spectroscopy of amor － phous，nanostructured，diamond － likecarbon，and nanodiamond［ J］ ． Philosophical Transactions of the Royal Society London， Series A Mathematical， Physical and Engineering Sciences ， 2004， 362 1824 2477 －2512． ［ 13］ Bulanova G P． The ation of diamond［J］ ． Journal of Geochemical Exploration， 1995， 53 1 －23． Observation of Surface Microstructure of HPHT Synthetic Diamond Crystals and Genesis Discussion WU Xu － xu1， 2，LU Tai － jin1 *，YANG Chi － yu1， 2，ZHANG Jian1，TANG Shi1，CHEN Hua1， ZHANG Yong1，KE Jie1，HE Ming － yue2 1． Research Institute of Beijing，National Gems ＆ Jewelry Technology Administrative Center，Ministry of Natural Resources，Beijing 100013，China; 2． School of Gemmology，China University of Geosciences Beijing ，Beijing 100083，China 614 第 4 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2019 年 ChaoXing HIGHLIGHTS 1 A summary of three characteristic structures of synthetic diamonds at high temperature and high pressure． 2 Proposition and discussion of the‘rope － tied’structures of HPHT synthetic diamonds． 3 Analysis and demonstration of the relationship of the internal and external micro － structures of HPHT synthetic diamonds with their growth mechanism． ABSTRACT BACKGROUND As the world’ s largest producer of synthetic diamonds，China accounts for more than 90 of the world’ s total production， of which high pressure － high temperature HPHT synthetic diamonds are dominant． Previous scholars have conducted many studies on analytical s and property analysis of HPHT synthetic diamonds． However，the research on the pickling process after the growth of HPHT synthetic diamonds and the internal and external micro － structures after pickling is still insufficient． OBJECTIVES To characterize 118 synthetic diamonds produced in China by high temperature and high pressure ． S The HPHT synthetic diamonds were observed by laser scanning confocal microscopy LSCM and ultra － depth － of － field 3D microscopy，and the dark inclusions in these micro － structures were qualitatively analyzed by laser Raman spectroscopy． RESULTS Three structure types were found． Step － like growth structures with certain angles revealed the crystallographic characteristics of HPHT synthetic diamond poly － crystals． Near － parallel linear scratches reflected the contact relationship between diamond grains in the growth chamber． The‘rope － tied’structures reflected the growth rate of HPHT synthetic diamonds． CONCLUSIONS The micromorphology of these diamond surfaces reflects the growth conditions and environment of HPHT synthetic diamond gradient high temperature and continuous high pressure，which is of significance for the identification of HPHT synthetic diamonds． KEY WORDS synthetic diamond; high pressure － high temperature; micro － structure; laser scanning confocal microscopy; crystal growth rate 714 第 4 期吴旭旭， 等 高温高压合成钻石晶体表面微形貌观察及其成因探讨第 38 卷 ChaoXing