miniaturadeimagen|Diamantes sintéticos de varios colores cultivados mediante la técnica de alta presión y alta temperatura, con un tamaño aproximado de ~2 mm. miniaturadeimagen|Espectro de absorción infrarroja de un diamante tipo IaB. (1) Región de absorción de impurezas de nitrógeno (mayormente debido a los centros B), (2) pico de plaquetas, (3) autoabsorción de la red cristalina del diamante, (4) picos de hidrógeno a 3107 y 3237 cm⁻¹. Las imperfecciones en la estructura cristalina del diamante son comunes. Estos defectos pueden ser el resultado de irregularidades en su estructura o de impurezas sustitucionales o intersticiales extrínsecas, introducidas durante o después del crecimiento del diamante. Los defectos afectan las propiedades físicas del diamante y determinan el tipo de diamante al que pertenece; los efectos más significativos se observan en el color del diamante y su conductividad eléctrica, según lo explica la estructura de bandas electrónicas.

Los defectos pueden detectarse mediante diferentes tipos de espectroscopía, incluyendo resonancia paramagnética electrónica (EPR, por sus siglas del inglés electron paramagnetic resonance), luminiscencia inducida por luz (fotoluminiscencia, PL, por sus siglas del inglés photoluminescence) o por haz de electrones (cátodoluminiscencia, CL), y la absorción de luz en las partes infrarroja (IR), visible y ultravioleta (UV) del espectro. El espectro de absorción se utiliza no solo para identificar los defectos, sino también para estimar su concentración; además, permite distinguir entre diamantes naturales, sintéticos o tratados.

Etiquetado de los centros de diamante Existe una tradición en la espectroscopía de diamantes para etiquetar un espectro inducido por defectos con un acrónimo numerado (por ejemplo, GR1). Esta tradición se ha seguido en general, aunque con algunas desviaciones notables, como los centros A, B y C. Sin embargo, muchos acrónimos son confusos:

Algunos símbolos son demasiado similares (por ejemplo, 3H y H3). Accidentalmente, se asignaron las mismas etiquetas a diferentes centros detectados mediante técnicas EPR y ópticas (por ejemplo, el centro EPR N3 y el centro óptico N3 no tienen relación). Mientras que algunos acrónimos son lógicos, como N3 (N de natural, es decir, observado en diamantes naturales) o H3 (H de calentado, es decir, observado después de irradiación y calentamiento), muchos no lo son. En particular, no hay una distinción clara entre el significado de las etiquetas GR (radiación general), R (radiación) y TR (radiación de tipo-II).

Simetría de los defectos La simetría de los defectos en los cristales se describe mediante los grupos puntuales. Estos difieren de los grupos espaciales, que describen la simetría de los cristales, por la ausencia de traslaciones, y por lo tanto son mucho menos numerosos. En el diamante, solo se han observado hasta ahora defectos con las siguientes simetrías: tetraédrica (Td), tetragonal (D2d), trigonal (D3d, C3v), rómbica (C2v), monoclínica (C2h, C1h, C2) y triclínica (C1 or CS).

La simetría de los defectos permite predecir muchas propiedades ópticas. Por ejemplo, la absorción de un fonón (infrarrojo) en la red cristalina pura del diamante está prohibida porque la red tiene un centro de inversión. Sin embargo, la introducción de cualquier defecto (incluso uno «muy simétrico», como un par de sustitución N-N) rompe la simetría del cristal, lo que resulta en una absorción infrarroja inducida por defectos. Esta absorción es la herramienta más común para medir las concentraciones de defectos en el diamante.

En el diamante sintético crecido mediante la síntesis a alta presión y alta temperatura (HPHT) o mediante deposición química de vapor (CVD, por sus siglas del inglés chemical vapor deposition), los defectos con simetría inferior a la tetraédrica se alinean en la dirección del crecimiento. Esta alineación también se ha observado en arseniuro de galio, por lo que no es exclusiva del diamante.

Defectos extrínsecos Diversos análisis elementales de los diamantes revelan una amplia gama de impurezas. Sin embargo, estas provienen principalmente de inclusiones de materiales extraños en el diamante, que podrían ser tan pequeñas como unos nanómetros e invisibles en un microscopio óptico. Además, virtualmente cualquier elemento puede ser introducido en el diamante mediante implantación de iones. Más relevantes son los elementos que pueden incorporarse en la red cristalina del diamante como átomos aislados (o pequeños grupos atómicos) durante su crecimiento. Para 2008, estos elementos incluyen nitrógeno, boro, hidrógeno, silicio, fósforo, níquel, cobalto y, quizás, azufre. El manganeso y el tungsteno han sido detectados inequívocamente en el diamante, pero podrían provenir de inclusiones extrañas. La detección de hierro aislado en el diamante se ha reinterpretado posteriormente como partículas microscópicas de rubí producidas durante la síntesis del diamante.

Se cree que el oxígeno es una impureza importante en el diamante, aunque no ha sido identificado espectroscópicamente aún. Dos centros de resonancia paramagnética electrónica (OK1 y N3) se asignaron inicialmente a complejos de nitrógeno-oxígeno, y más tarde a complejos relacionados con titanio. Sin embargo, esta asignación es indirecta y las concentraciones correspondientes son bastante bajas (unos pocos partes por millón).

Nitrógeno La impureza más común en el diamante es el nitrógeno, que puede constituir hasta el 1 % de la masa de un diamante. Anteriormente, se pensaba que todos los defectos en la red del diamante eran el resultado de anomalías estructurales; investigaciones posteriores revelaron la presencia de nitrógeno en la mayoría de los diamantes y en diversas configuraciones. La mayor parte del nitrógeno se incorpora a la red del diamante como un átomo individual (es decir, las moléculas de nitrógeno se disocian antes de su incorporación); sin embargo, el nitrógeno molecular también puede integrarse en el diamante.

La absorción de luz y otras propiedades del diamante dependen en gran medida del contenido de nitrógeno y de su estado de agregación. Aunque todas las configuraciones agregadas causan absorción en el infrarrojo, los diamantes con nitrógeno agregado suelen ser incoloros, ya que tienen poca absorción en el espectro visible. Las cuatro principales formas de nitrógeno son las siguientes:

Esquema del centro C miniaturadeimagen|150x150px|Centro de nitrógeno C. El centro C corresponde a átomos de nitrógeno de sustitución simple eléctricamente neutros en la red del diamante. Estos son fácilmente detectables en espectros de resonancia paramagnética electrónica (donde se les denomina confusamente como centros P1). Los centros C otorgan un color amarillo intenso a marrón; estos diamantes se clasifican como tipo Ib y se conocen comúnmente como «diamantes canarios», los cuales son raros en forma de gema. La mayoría de los diamantes sintéticos producidos mediante la técnica de alta presión y alta temperatura (HPHT) contienen un nivel alto de nitrógeno en la forma C; esta impureza de nitrógeno proviene de la atmósfera o de la fuente de grafito. Un átomo de nitrógeno por cada 100,000 átomos de carbono produce color amarillo.

Debido a que los átomos de nitrógeno tienen cinco electrones disponibles (uno más que los átomos de carbono que reemplazan), actúan como «donantes profundos»; es decir, cada nitrógeno sustituido tiene un electrón extra para donar y forma un nivel de energía donadora dentro de la banda prohibida. La luz con energía superior a ~2.2 eV puede excitar los electrones donantes hacia la banda de conducción, generando el color amarillo.

El centro C produce un espectro de absorción infrarroja característico con un pico definido en 1344 cm−1 y una característica más amplia en 1130 cm−1. La absorción en estos picos se utiliza de manera rutinaria para medir la concentración de nitrógeno individual. Otro método propuesto, basado en la absorción UV a ~260 nm, se descartó posteriormente por considerarse poco fiable.

Los defectos aceptores en el diamante ionizan el quinto electrón del nitrógeno en el centro C, convirtiéndolo en un centro C+. Este último tiene un espectro de absorción IR característico con un pico definido en 1332 cm−1 y picos más amplios y débiles en 1115, 1046 y 950 cm−1.

Centro de nitrógeno A miniaturadeimagen|150x150px|Esquema del centro A. El centro A es probablemente el defecto más común en los diamantes naturales. Consiste en un par neutro de átomos de nitrógeno vecinos que sustituyen a los átomos de carbono. El centro A produce un umbral de absorción UV a ~4 eV (310 nm, es decir, invisible al ojo humano) y, por lo tanto, no causa coloración. Los diamantes que contienen nitrógeno predominantemente en la forma A se clasifican como tipo IaA.

El centro A es diamagnético, pero si es ionizado por luz UV o aceptores profundos, produce un espectro de resonancia paramagnética electrónica (EPR) W24, cuyo análisis demuestra de manera inequívoca la estructura N=N.

El centro A presenta un espectro de absorción IR sin características definidas, lo cual es claramente diferente del espectro de los centros C o B. Su pico más fuerte, a 1282 cm⁻¹, se utiliza de manera rutinaria para estimar la concentración de nitrógeno en la forma A.

Centro de nitrógeno B miniaturadeimagen|150x150px|Esquema del centro B. Existe un consenso general de que el centro B (a veces llamado B1) consiste en una vacante de carbono rodeada por cuatro átomos de nitrógeno que sustituyen a átomos de carbono. Este modelo es coherente con otros resultados experimentales, aunque no se dispone de datos espectroscópicos directos que lo corroboren. Los diamantes donde la mayor parte del nitrógeno forma centros B son raros y se clasifican como tipo IaB. La mayoría de los diamantes gemológicos contienen una mezcla de centros A y B, junto con centros N3.

Al igual que los centros A, los centros B no inducen color, y no se puede atribuir absorción en UV o visible a los centros B. La asignación inicial del sistema de absorción N9 al centro B se desmintió posteriormente. El centro B tiene un espectro de absorción IR característico (ver el espectro de absorción infrarroja mencionado anteriormente) con un pico definido a 1332 cm⁻¹ y una característica más amplia a 1280 cm⁻¹. Esta última se utiliza de manera rutinaria para estimar la concentración de nitrógeno en la forma B.

Muchos picos ópticos en diamante tienen posiciones espectrales similares, lo que causa confusión entre los gemólogos. Los espectroscopistas utilizan todo el espectro en lugar de un solo pico para identificar defectos y consideran la historia del crecimiento y procesamiento del diamante individual.

Centro de nitrógeno N3 miniaturadeimagen|150x150px|Esquema del centro N3. El centro N3 consiste en tres átomos de nitrógeno rodeando una vacante. Su concentración siempre es una fracción de la de los centros A y B. El centro N3 es paramagnético, y su estructura está bien definida a partir del análisis del espectro EPR P2.

Este defecto produce una línea característica de absorción y luminiscencia a 415 nm y, por sí solo, no induce color. Sin embargo, el centro N3 siempre está acompañado por el centro N2, que tiene una línea de absorción a 478 nm (sin luminiscencia). Como resultado, los diamantes ricos en centros N3/N2 presentan un color amarillo.

Boro