[发明专利]一种离子注入单晶体宝石呈色的制备方法

说明书

 

技术领域：

本发明的一种离子注入单晶体宝石呈色的制备方法，属于宝石单晶体材料领域。

背景技术：

自然界中许多有色宝石颜色品质较差，这主要受到内部致色元素含量及其他微量元素存在以及晶体本身缺陷所致。目前广泛采用的方法是将其酸洗去除内部杂质、高温热处理使得致色元素通过高温热扩散进入宝石表层，但较高的温度导致内部出现较大的裂隙，同时用致色元素包覆宝石，扩散速率较慢，其他杂质同时也会影响宝石致色；而通过染色处理的宝石，基本不可用，这是由于染色或电镀镀模的宝石仅仅存在于表面而不是表层，时间长会发生脱落、掉色等问题。

珠宝市场上以天然宝石昂贵的主要原因是质地较差的宝石不能满足需求，而经过处理过的宝石其质地、光泽、颜色等方面难以符合要求。

发明内容

本发明针对背景技术中的不足，提供一种离子注入单晶体宝石呈色的制备的方法，得到的宝石呈色稳定、着色均匀、色彩丰富，并不影响宝石的折射率、表面光泽和硬度，同时能在宝石表面能得到特定的图案、形状。

本发明的技术方案是：是在注入前将包裹层上雕刻出特定的形状，将宝石晶体表面包裹，使注入离子只在特定形状的区域进行注入，然后进行热处理。具体制备步骤包括如下： 

（1）预制宝石离子注入区域：将铝箔雕刻出宝石需要注入的形状，然后将铝箔包裹并压制在待注入已抛光的宝石表面，外露的宝石表面就是预制的宝石离子注入区域；

（2）注入工艺：采用MEVVA源强流金属离子注入机对待注入的宝石进行饱和注入剂量的注入，（属于现有技术，注入方式就是将样品放入注入腔，抽真空后，把需要注入的元素电离成电子，决定要注入离子的种类和束流强度。经过质量分析器选出需要的离子，再经过加速器获得较高能量后，进行离子注入），将预制的宝石离子注入区域注入需要添加的金属元素，注入宝石表面的深度为0.1～0.5μm，注入工艺的参数为：注入电压100～150KeV，束流密度5～10mA，注入计量根据饱和注入剂量公式计算得到，注入腔保护气氛为高纯氩气，通过包裹其它晶面而实现对某一晶面方向的注入，也可通过旋转注入腔体内样品托盘方向，对各个晶面方向进行注入。

（3）烧结工艺：将注入后的样品在空气气氛下进行热处理，温度为宝石熔点的0.1～0.2倍，保温1～4小时后随炉冷却至室温，即可得到呈色的离子注入单晶体宝石。

所述铝箔中铝的纯度为99wt%以上，铝箔的厚度大于500μm。

所述宝石为天然或合成宝石中近无色、或者色调浅的宝石，宝石内部成分之一为氧。

所述添加的金属为过渡族金属元素Fe、Ti、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、V、Nb中的任意一种。

所述步骤（2）中的注入计量为注入剂量为饱和注入剂量，该注入剂量的计算方法为：

其中n₀为基体的原子密度，是平均投影射程,是标准偏差，Y表示溅射系数，是指每个入射粒子所打出的靶原子数，可通过离子注入投影射程表查得。

当需要整块宝石呈现相同颜色，而没有特定形状时或特定晶面时，则不需要进行铝箔包裹，只需要将宝石表面抛光后进行各个晶面方向的注入，然后依次进行步骤（2）和步骤（3）操作，即可得到呈色宝石。

本发明的优点和积极效果：

（1）、与常规宝石优化处理方法相比，不需要化学试剂浸泡，热处理温度低，工艺周期短，避免了过高温度对宝石晶体的破坏，过程对环境无污染或少污染，离子注入设备能同时对大量宝石进行注入，成本低；

（2）先成型，后致色，避免了常规热扩散处理后宝石再成型的所引起的颜色分布不均一、长时间使用易脱色等问题，避免了常规热扩散处理宝石表面由于与扩散物质接触，表面加工后产生的凹坑；

（3）可人为的掺杂进任何元素，能有效控制掺杂物的数量和纯度，避免其他杂质在热处理过程中进入宝石晶体，呈色稳定、着色均匀、色彩丰富，并不影响宝石的折射率、表面光泽和硬度，同时能在宝石表面能得到特定的图案、形状，可实现选区致色和呈现特定的图案图形。

附图说明：

图1为本发明为特定形状的铝箔和宝石；

图2为本发明为宝石注入后的特定图案。

具体实施方式：

实施例1：

（1）预制宝石离子注入区域：将铝箔雕刻出宝石需要注入的形状，然后将厚度为600μm的铝箔包裹并压制在待注入已抛光的宝石表面，外露的宝石表面就是预制的宝石离子注入区域；宝石为无色刚玉。