金剛石的簡介、結(jié)構(gòu)、性能和合成

1、金剛石l金剛石的簡介l金剛石的結(jié)構(gòu)l金剛石的性能l金剛石的合成主要內(nèi)容金剛石，碳的同素異形體，是自然界中已知的最堅(jiān)硬的物質(zhì)，有天然和人造兩類。天然金剛石僅產(chǎn)出于金伯利巖筒中。金伯利巖是它們的原生地巖石，其他地方的金剛石都是被河流、冰川等搬運(yùn)過去的。金剛石俗稱“金剛鉆”,也就是我們常說的鉆石，是一種由純碳組成的礦物。碳可以在高溫、高壓下形成金剛石。金剛石是原子晶體，用它的元素符號加注釋來表示C(金剛石)。 金剛石的簡介金剛石一般為粒狀，有各種顏色，從無色到黑色都有，以無色的為特佳。金剛石的顏色取決于純凈程度、所含雜質(zhì)元素的種類和含量，極純凈者無色，一般多呈不同程度的黃、褐、灰、綠、藍(lán)、乳白和紫色

2、等；純凈者透明，含雜質(zhì)的半透明或不透明。金剛石的折射率非常高，色散性能也很強(qiáng)，這就是金剛石為什么會(huì)反射出五彩繽紛閃光的原因。金剛石的簡介金剛石的結(jié)構(gòu)金剛石是立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在金剛石結(jié)構(gòu)中，碳原子具有四價(jià)狀態(tài)，即sp3雜化狀態(tài)。金剛石結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是每個(gè)碳原子與4個(gè)鄰近的碳原子相連，它們處在四面體頂角方向，每個(gè)碳原子與4個(gè)鄰近的碳原子共用四對價(jià)電子，形成4個(gè)共價(jià)鍵與其周圍的原子連接，形成一個(gè)四面體。金剛石晶體是由許多四面體疊加而成。任意抽出2個(gè)相鄰的共價(jià)鍵，每兩個(gè)單鍵歸兩個(gè)六元環(huán)所有，而不是只歸一個(gè)六元環(huán)所有（如圖所示，紅色的兩個(gè)碳碳單鍵，可以構(gòu)成藍(lán)色和紫紅色的兩個(gè)六元環(huán)）。金剛石的結(jié)構(gòu)晶體格子中

3、，一個(gè)原子與相鄰四個(gè)原子具有正四面體結(jié)構(gòu)的情況，存在立方晶系和六方晶系兩種可能，天然金剛石和人造金剛石一般都是立方晶系金剛石，但也存在一種六方晶系金剛石。把具有這兩種晶體結(jié)構(gòu)的金剛石分別稱為立方金剛石和六方金剛石。金剛石的結(jié)構(gòu)立方金剛石的晶體結(jié)構(gòu)： 立方金剛石為等軸晶系，在常壓和 室溫下晶格常數(shù)為0.3560.357nm。這種晶體結(jié)構(gòu)可以分割成許多相同的立方晶胞，晶胞表面上的原子分布正好形成一個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)，晶 胞內(nèi)有四個(gè)原子，它們各自與一個(gè)頂角的原子和三個(gè)相鄰面心的原子等距，并以共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)，形成具有正四面體的結(jié)構(gòu)。金剛石的結(jié)構(gòu)六方金剛石的晶體結(jié)構(gòu)： 六方金剛石屬六方晶系，其晶格常數(shù)為a=0

4、.252nm，c=0.412nm。這種晶體結(jié)構(gòu)可以分割成許多相同的六方晶胞，每個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，具有正四面體結(jié)構(gòu)。金剛石的性能金剛石的機(jī)械力學(xué)性質(zhì)金剛石是迄今地球上最硬的物質(zhì)，由于金剛石中的C-C鍵很強(qiáng)，所以金剛石硬度大。在莫氏硬度中,以10種礦物為基準(zhǔn)來確定1-10的硬度值，金剛石的莫氏硬度為10，如表所示。正因?yàn)榻饎偸捕却?，所以可以用來做玻璃刀。金剛石的硬度是各向異性的，不同晶面和不同方向上的硬度不同。金剛石的硬度?00110111的順序變化。就是在111面內(nèi)也因方向不同而帶有各向異性。金剛石的性能 金剛石的化學(xué)性質(zhì)金剛石的化學(xué)成分是碳，雜質(zhì)主要有石墨、氮、硼、硅等非

5、金屬元素，以及觸媒元素如鐵、鈷、鎳、錳等。金剛石由于是強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，以及碳原子的特性，因而在常溫下的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，耐酸堿及其他化學(xué)藥品的腐蝕。因此可充分利用此性質(zhì)來進(jìn)行人造金剛石的提純。也可以利用強(qiáng)酸腐蝕鑲有金剛石的舊鉆頭、舊工具，使金剛石從胎體上脫落下來加以回收，而無損于金剛石的質(zhì)量。金剛石的性能 金剛石的電學(xué)性質(zhì)純凈的不含雜質(zhì)的金剛石是絕緣體，室溫下的電阻率在1016cm以上，只有摻入少量硼或磷雜質(zhì)后，才顯示出半導(dǎo)體特性。介電常數(shù)為5.6，金剛石的禁帶寬度5.5eV，在紫外線輻照下出現(xiàn)光導(dǎo)電性。組成金剛石晶體的C元素同其它半導(dǎo)體材料Si、Ge同屬于元素周期表的族，它們都是以相同的價(jià)電子

6、以工見見組合而構(gòu)成晶體。同Si、Ge一樣，金剛石具有優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)。金剛石的性能金剛石的光學(xué)性質(zhì)人造金剛石由于合成過程中所用觸媒成分的不同以及生成溫度、壓力、包裹體等因素的影響，而有淡黃、黃綠、綠、灰黑、黑色等多種顏色，多為半透明至透明。一般以顏色淺、透明度高的質(zhì)量好。金剛石具有很高的折射率，其折射率為2.40-2.48。對于波長589.3nm的光，其折射率為2.417。金剛石具有強(qiáng)的散光性，色散系數(shù)為0.063。這就是作為寶石的金剛石晶瑩發(fā)亮的主要原因。金剛石晶體在不同射線輻照下能發(fā)出各種顏色的光金剛石的合成 目前主要有兩種制備合成單晶金剛石的方法：一種是高溫高壓法（high temper

7、ature and high pressure），簡稱HTHP；另外一種就是化學(xué)氣相沉積法（chemical vapor deposition）,簡稱CVD高溫高壓（HTHP）法合成金剛石高溫高壓法泛指溫度超過1500，壓強(qiáng)超過109Pa的條件下制備金剛石的方法，國外一般稱作溫度梯度法，國內(nèi)稱作溫度差法。HTHP法中，目前有兩種設(shè)備可用以制備金剛石：一種是用六面頂壓機(jī)，它主要是將石墨相的碳轉(zhuǎn)化為金剛石相的碳；另外一種設(shè)備是兩段式分球壓機(jī)設(shè)備，它是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Boris Feigelson等人在90年代初研制開發(fā)的。目前工業(yè)上主要還是利用HTHP法制備單晶金剛石，其最大優(yōu)點(diǎn)是制造工藝較簡單，金

8、剛石的生長速度快，通常在1020min內(nèi)就能合成出1mm以下的金剛石單晶，從而滿足各種工業(yè)需要。隨著生長技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在通過控制生成核可以生長出粒徑達(dá)2mm的金剛石?；瘜W(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法（CVD）主要利用的是在高溫空間（也包括在基板）以及活性空間中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。制備金剛石所用到的氣體原料一般為甲烷和氫氣，通過在高溫條件下激發(fā)使氣體發(fā)生分解，生成含碳基團(tuán)的活性粒子，并最終在基片材料上沉積出金剛石膜。制備單晶金剛石的方法主要有微波等離子輔助化學(xué)氣相沉積法、熱絲輔助化學(xué)氣相沉積法、電子回旋共振微波等離子體化學(xué)氣象沉積法、直流等離子體噴射化學(xué)氣相沉積法、燃燒火焰化學(xué)氣相沉積法等?；瘜W(xué)氣相沉積法-熱絲輔助化學(xué)氣相沉積（HFCVD） 混合氣體進(jìn)入反應(yīng)室經(jīng)過熱絲區(qū)域到達(dá)基體表面，分子氫在熱絲表面催化分解。反應(yīng)區(qū)域只是由熱絲周圍很小區(qū)域組成的，這使得單根絲的作用范圍受到了限制，并且熱絲與基體間的最佳距離是110mm。這一過程范圍與這些小的激活區(qū)域有關(guān)，并且大面積沉積只是通過在反應(yīng)腔內(nèi)使用多根絲來完成。熱絲可以用W、Mo等，通常加熱溫