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ラボグロウンダイヤモンドの色とその原因について

多くのバイヤーは、ダイヤモンドの色が従来の白い石とはまったく異なり、実際には赤、青、緑、ピンク、黄色、茶色とさまざまであることを知らない。天然のカラーダイヤモンドは非常に珍しいので、宝石店ではあまり見かけません。これらの石の色の組み合わせの構成は独特であるため、それぞれの石はオークションで評価され、1カラットあたり数百万円の値段がつくこともある。

HPHTやCVDといった製造技術の発達により、ラボラトリーグロウンダイヤモンドの市場は大きく変わり、ダイヤモンドの全色を容易に入手できるようになりました。その結果、これらの石のコストはよりリーズナブルになり、もはや1カラットあたり数百万ドルの評価ではなく、成長した無色のDカラーストーンのレベルになっています（Rapaportより+10～20％）。

天然ダイヤモンドの「歳が上の兄弟」としての前例がなければ、ラボグロウンダイヤモンドの色の違いの理由は無意味なものになってしまう。ダイヤモンドのカラーバリエーションは、20世紀に天然石を使って研究された。その結果、自然が何百万年もかけて作り上げたコントロールと環境を再現することで、ラボグロウン（人工石）を作ることができるようになったのだ。このように、天然ダイヤモンドと育成ダイヤモンドの色の見え方の科学的理由は同じなのです。ただ、天然ダイヤモンドは地球のマントルの奥深くで形成され、何十億年もそのような環境にあったこと、ラボグロウンストーンは極端な温度と圧力の下、2週間で人工的に作られること、つまり自然に近い条件ではあるが人工的であることが異なるだけである。ダイヤモンドの色は、宝石の結晶格子の中にある欠陥-不純物中心の有無によって決まります。理想的な無色のダイヤモンドは炭素原子で構成されているが、他の元素の原子を取り込んだり、原子の配列に乱れが生じたりすると、ある色が現れ始めるのである。

1934年、ロバートソン、フォックス、マーティンの3人は、ダイヤモンドの物理的分類を考案し、他の多くの科学者によって改良され、今日まで広く使用されている。この分類は、ダイヤモンドの結晶に含まれる主な不純物である窒素とホウ素の存在に基づいています。これらの不純物は、ダイヤモンドの色を最もよく決定します。ホウ素が単原子の形でしかダイヤモンド構造に取り込まれない場合、窒素はダイヤモンド構造中に15種類以上の欠陥中心（単原子、対の原子、複数の窒素原子と空孔の組み合わせなど）を形成します。ダイヤモンド中の窒素やホウ素の不純物の有無は、主にFTIR分光法という方法を用いて判断されます。

では、ダイヤモンドの物理的分類をもう少し詳しく説明しましょう。この分類基準は、天然ダイヤモンドと育成ダイヤモンドの両方に等しく適用されます。写真にあるように、当初、すべてのダイヤモンドは窒素不純物の有無によって2種類に分けられていました。

I – 窒素含有
II – 窒素なし
ダイヤモンドにはさまざまな窒素欠陥があるため）タイプIはタイプIIよりも詳細に分けられました。

I a – 構造中に窒素原子が凝集しているダイヤモンド
subtype IaA – 欠陥A（1対の窒素原子）を持つダイヤモンド。
IaB型 – B1欠陥（窒素原子4個＋空孔）を持つダイヤモンド。
IaAB – 混合型、AおよびB1欠陥のあるダイヤモンド。
I b – 構造中に単一の窒素原子を持つダイヤモンド（C欠陥）、黄色。
そして、II型は2つのサブタイプに分けられました。

II a – 純ダイヤモンド、無色または茶色がかった色。
II b – 構造中にホウ素原子を1個含むダイヤモンド、青色。

Physical classification of diamonds (C.M. Breeding, Shigley J.E. Gems & Gemology, 2009).

Laboratory-grown Diamond Colors

複雑な用語から、ラボグロウンダイヤモンドの市場に適したシンプルな用語に移行すると、ラボグロウンダイヤモンドの95%は、その物理的特性によって3つのタイプに分類されます。IIa-無色、IIb-青色、Ib-黄色です。注意すべきは、天然ダイヤモンドの95％がタイプIaである、すべての3つのタイプの自然発生ダイヤモンドは、孤立したケースであることです。これが天然ダイヤモンドと成長したダイヤモンドの大きな違いであり、識別によく使われる。

ラボグロウンダイヤモンドのカラーバリエーション。

1.黄色 – ダイヤモンドの構造に一重の窒素原子が入るためで、タイプI b。
HPHT技術 – 一般的な製品で、色はよく制御されています。窒素は大気から取り込むか、触媒の金属合金の組成で制御する。
CVD技術 – あまり生産されておらず、色の制御がより困難。窒素は混合ガスに含まれる。

2.緑色 – ダイヤモンドの構造中の空孔の発生に起因する。
両方の技術 – 原則として、タイプIbまたはIIaのダイヤモンドに高速電子ビーム（エネルギーは1～3MeV）を照射する。

3.ピンクと赤 – 窒素空孔NVセンターによるもの。
HPHT技術 – a) Ib型（窒素原子1個）の低飽和イエローダイヤモンドを成長させる。 b) 荷電粒子加速器または原子炉で高速電子ビーム（エネルギーは1～3MeV）を照射する（空孔が形成される）。
CVD技術 – HPHT技術に類似しているか、成長過程でNVセンターが直接形成される。

4.青色 – 単一のホウ素原子がダイヤモンドの構造に入り込むためで、タイプIIb。
HPHT技術 – 一般的な製品で、色はよく制御されている。金属触媒合金の組成にホウ素（分率 %）が添加される。
CVD技術 – あまり生産されておらず、色の制御がより困難である。成長室に供給される混合ガスにホウ素が添加される。

5.無色-不純物なし、タイプ II a.
HPHT技術 – 一般的な製品で、色の制御は良好である。不純物がないのは、金属と触媒の合金の組成に「ゲッター」（ガス吸収剤）が含まれているためである。
CVD技術 – 一般的な製品で、色はあまり制御されておらず、しばしば薄茶色っぽい色合いとなる。

6.茶色 – 変形障害またはニッケル-窒素センター。
HPHT技術 – 生産量は少なく、需要もない。窒素の濃度が高く、構造中にニッケルの不純物が含まれる結晶。触媒金属合金の組成に依存する。
CVD技術 – 合成工程の品質が悪い場合によく見られる。転位や構造上の乱れが形成される。

実験室で成長したダイヤモンドの色の飽和度は、欠陥-不純物中心の濃度に依存する。ダイヤモンドの場合、構造上の原子配列の特殊性から、色を獲得し始めるには、非常に低い不純物濃度で十分である。ダイヤモンドの不純物元素の濃度は、ppm（parts per million）、あるいはppb（parts per billion）という単位で測定されます。例えば、窒素濃度が1ppmのイエローダイヤモンドは、炭素原子100万個に対して窒素原子1個という構造になっており、このように不純物原子の割合が少ないことが、すでにダイヤモンドに豊かな色を作り出しているのです。ダイヤモンドの不純物濃度は、複雑な分光学的研究手法（IR Spectroscopy, Optical Spectroscopy, Photoluminescenceなど）を用いて決定されますが、これについては以下の記事で詳しく説明します。

下の写真は、ラボグロウンダイヤモンドの配色を、無色の石から順に示したものです。機器分析法で求めた不純物センターのおおよその濃度（ppm）を、ダイヤモンドの色と比較しています。ダイヤモンドの色と窒素やホウ素の濃度との間に直接的な相関関係があること、またダイヤモンドの色を変えるために必要な窒素の濃度がわかると思います。

このように、ラボグロウンダイヤモンドの色は、その最も重要な特徴の一つであり、その本質は、ダイヤモンド結晶格子の欠陥-不純物組成にあるのです。このような石の色の飽和度は、不純物（主に窒素とホウ素）の濃度に依存する。カラーダイヤモンドは、実験室で全領域を再現できるため（CVD法、HPHT法）、自然界に存在する純粋なダイヤモンドが希少で高価であるのに比べ、比較的安価で市場に需要があるのです。