Topas
Farben
Natürliche Farbe
In reiner Form ist Topas farblos und durchsichtig. Durch vielfache Lichtbrechung aufgrund von Gitterbaufehlern oder polykristalliner Ausbildung kann er aber auch weiß erscheinen und durch Fremdbeimengungen eine gelbe, rosarote bis braunrote, rötlichgelbe (Imperial Topas), orangebraune (Sherry), violette, hellblaue und hellgrüne Farbe annehmen, wobei die Transparenz entsprechend abnimmt.
- Rosarote, violette, rosabraune und hellblaue Farbvarietäten können im Sonnenlicht ausbleichen
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Künstlich gefärbte Topase
Bestrahlung und Erhitzen
Viele Topase werden durch Bestrahlung oder thermische Behandlung farblich verändert. Das kann durch Bestrahlung mit Gamma- oder Elektronenstrahlen (blau) oder durch Erhitzen (blau, rötlich) geschehen. Auch Handelshäuser wie Tiffany & Co. setzten bestrahlte und erhitzte Topase ein.
Topas gehört zu den am meisten bestrahlten Edelsteinen auf dem Markt.
In den 1960er Jahren wurde eine Methode entwickelt, farblosen Topas blau zu färben. Zuerst wird der rohe Topas bestrahlt und wird braun. Danach wird der braune Stein erhitzt und man erhält eine stabile blaue Farbe. Dieser Prozess dupliziert im Grunde genommen Dasselbe; was in der Natur passiert; ein behandelter Stein kann nicht von einem natürlichen unterschieden werden.
Bevor man dieses Verfahren kannte, war hellblauer Topas selten und wertvoll. Farbloser Topas ein gewöhnliches Mineral und konnte tonnenweise preiswert gekauft werden. Der Nachteil dieses Verfahrens jedoch war ein drastischer Preisverfall von blauem Topas, welcher heute zu den billigsten verfügbaren Edelsteinen gehört.
Durch Hitzebehandlungen können manche gelben, orangefarbenen und braunen Topase auch pink und rot gefärbt werden. Die Prozedur ist unkompliziert, das Resultat stabil und die thermische Behandlung nicht nachweisbar.
Verfahren
Durch ionisierende Strahlung und nachfolgende thermische Behandlung lassen sich farblose Topase in braune und blaue Varietäten überführen (die meisten der blauen, geschliffenen Topase sind bestrahlt). Teilchenstrahlung, oder hochenergetische elektromagnetische Strahlung können in Festkörpern Farbzentren erzeugen. Hierzu gehören:
- Alpha-Strahlung (He-Atomkerne)
- Beta-Strahlung (Elektronen, Positronen)
- Gammastrahlung (hochenergetische elektromagnetischen Strahlung)
- Neutronenstrahlung (neutrale subatomare Partikel)
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Die Bestrahlung erfolgt meist in Linearbeschleunigern (Elektronen und Gammastrahlung) und in Kernreaktoren (Neutronen). Eine residuale Radioaktivität kann ein potentielles Problem darstellen. Aus diesem Grund werden bestrahlte Topase eine gewisse Zeit gelagert, bis der radioaktive Zerfall von durch die Betrahlung gebildeter kurzlebiger Nuklide stattgefunden hat (die erforderliche Abklingzeit kann Stunden bis Tage dauern).
Topase, welche in Kernreaktoren bestrahlt werden, haben oft eine intensiv blaue Farbe und benötigen keine weitere Wärmebehandlung.
Gammastrahlung bewirkt eine bräunlichgrüne Färbung des Edelsteins, eine nachfolgende thermische Behandlung erzeugt stahlgrau-blaue (auch kobaltblaue) Topase.
PVD-Sputterdeposition
In den 1970er Jahren entdeckte man, dass man mittels „Sputterdeposition“ (Sputterbeschichtung, Thermisches Zerstäuben, Kathodenzerstäubung) Materialien unterschiedlicher Art beschichten kann. Das Sputtern (von englisch to sputter = zerstäuben) ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Atome aus einem Festkörper durch Beschuss mit energiereichen Ionen (vorwiegend Edelgasionen) herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen.
Abgesehen von zahlreichen sehr spezifischen physikalischen Anwendungen ist das Verfahren als Teilschritt bei der Sputterdeposition, einer zur Gruppe der PVD-Verfahren gehörenden feinvakuumbasierten Beschichtungstechnik von Bedeutung. Hier dient es zum Zerstäuben eines Materials, das sich anschließend auf einem Substrat niederschlägt und eine feste Schicht bildet. Im Bereich der Beschichtungstechnik wird die Sputterdeposition häufig nur als „Sputtern“ bezeichnet. Die Sputterdeposition zählt seit Jahrzehnten zu den wichtigsten Beschichtungsverfahren. In dieser Zeit wurden unterschiedliche Varianten entwickelt, mit denen sich die Schichteigenschaften gezielt beeinflussen oder die Bandbreite der abscheidbaren Materialien erhöhen lassen.
Mit „klassischen“ (passiven) Sputterdepositionsverfahren werden hauptsächlich Metalle abgeschieden, beispielsweise Titan, Wolfram und Nickel, aber auch Legierungen mit Nickelaluminium (NiAl) und Nichtmetalle wie Silicium oder Siliciumdioxid (SiO2) sind möglich (wiki)
Neben Anwendungen für optische, elektonische und keramische Materialien erwies sich, dass man mit der Sputter-Deposition komplett neue und bisher unbekannte Farbvarietäten für die Schmuckindustrie von sonst im Rohzustand meist wertlosen Mineralen wie Quarz und Topas erzeugen kann. Bekanntere Vertreter künstlich gefärbter Quarze sind Aqua Aura (Blautöne durch Goldbeschichtung), Angel Aura (Gold-Platinbeschichtung), Tanzan Aura (Indium gesputterte Quarze mit tansanitähnlichem Aussehen. Weitere verwendete Beschichtungsmaterialien sind Blei (grün), Chrom (rot), Titan (bunter Rainbow-Quarz) und Wismut (gelb). Bunte Topasvarietäten sind der Mystic Topas mit dominierenden blauen und violetten Tönen (Titan) und der goldgelbe Imperial Golden Topas (Eisen und Titan).
Neben Quarz und Topas werden auch Diamanten, Saphire, Smaragde, Opale, Apatite, Spinelle und Tansanite plasma-gesputtert. (HENN, U., 2003; RÖSSLER, L., 2007; EPI, 2016).
CVD-Chemische Gasphasenabscheidung
Unter dem Begriff chemische Gasphasenabscheidung (englisch chemical vapour deposition, CVD), selten auch chemische Dampfphasenabscheidung, versteht man eine Gruppe von Beschichtungsverfahren, welche unter anderem bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen und Lichtwellenleitern eingesetzt werden. (wiki)
Dieses Beschichtungsverfahren besitzt mehrere bedeutende Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen: In der Halbleiterindustrie werden Si, SiO2, Si3N4 und andere Materialien großindustriell mit CVD hergestellt. Verschiedene Gläser (Brillengläser, Fenster, Flaschen, Lampen) werden durch die chemische Gasphasenabscheidung mit optischen Reflex- oder Wärmedämmschichten ausgestattet. Diffusionsbarriereschichten zur besseren Haltbarkeit von Lebensmitteln auf Kunststoffolien und Hartstoffschichten aus TiN („goldene Farbe“) auf Werkzeugen werden ebenfalls mit CVD erzeugt.
CVD gehört zu den heutigen bevorzugten Methoden der Beschichtungstechnologie. Bei diesem Prozess werden extrem kleine Partikel auf einer Oberfläche aufgebracht, um einen dünnen Überzug, bzw. Schicht zu bilden. Gewöhnlich wird zuerst die Verbundschicht aufgedampft, danach wir die farbgebende oder einen gewünschten optischen Effekt erzeugende Schicht auf die Verbundschicht aufgebracht. Das Verfahren ist ähnlich der Autolackier-Technologie, nur auf einer Nanopartikel-Skala. (IGM, Intern. Gem Society, 2013)
Durch diese CVD-Beschichtung können besonders rosafarbene Topase erzeugt werden, aber auch metallisch Filme zur Herstellung von Mystic Topas.
Literatur
- Allendorf, M., 1998; From bunsen to VLSI: 150 years of growth in chemical vapor deposition technology. In: The Electrochemical Society interface. Band 7, Nr. 1, S. 36–39
- Bruder, B., 2012; Geschönte Steine, 3. Aufl., Neue Erde Verlag.
- Choy, K.-L., 2003; Chemical vapour deposition of coatings. In: Progress in Materials Science. Band 48, Nr. 2, S. 57–170, (sehr ausführlicher Übersichtsartikel neuerer Zeit, in dem neben den einzelnen Verfahren auch Vor- und Nachteile der einzelnen Reaktortypen beschrieben werden).
- Henn, U., 2003; Edelsteine mit aufgedampften, hauchdünnen Metallschichten, Z. Dt. Gemmol. Ges., 52, 1, 41-44.
- Martin, P.J., 1986; Ion-based methods for optical thin film deposition. In: Journal of Materials Science. Band 21, Nr. 1, S. 1–25,
- Pierson, H.O., 1999; Handbook of chemical vapor deposition (CVD): principles, technology, and applications.
- Powell, C.F., Oxley, J.H., Blocher, J.M., Klerer, J., 1966; Deposition. In: Journal of The Electrochemical Society. Band 113, Nr. 10, S. 266C–269C
- Rössler, L., 2007; Durch Bedampfen behandelte Topase, Gemmo News, Ö.Gem.G., 20, 10-11.
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