正二十面体金刚石的形成及其计算机模拟
高中化学 晶体结构与三维化学竞赛解析
晶体结构与三维化学新规定的化学竞赛初赛要求：晶体结构。
晶胞。
原子坐标。
晶胞中原子数或分子数的计算及与化学式的关系。
分子晶体、原子晶体、离子晶体和金属晶体。
配位数。
晶体的堆积与填隙模型。
常见的晶体结构类型,如NaCl、CsCl、闪锌矿（ZnS）、萤石（CaF2）、金刚石、石墨、硒、冰、干冰、尿素、金红石、钙钛矿、钾、镁、铜等。
要求初赛学生对晶体的三维空间结构有较为清晰的认识,能根据数学知识及有关化学理论解决晶体中有关问题。
需要说明的是在高考新考纲中规定：对原子、分子、化学键等微观结构有一定的三维想像能力。
三维化学已成为竞赛和高考的热点内容。
正八面体与正方体顾名思义,正八面体应该有八个完全相同的面,如右图所示,每个面都是正三角形；另外正八面体有六个顶点,十二条棱。
如果与正方体作一对比,它们都有十二条棱,正方体有六个面（正八面体六个顶点）、八个顶点（正八面体八个面）,与正八面体的面数和顶点数正好相反,。
我们连接正方体六个面的面心可形成正八面体。
我们也可以将空间直角坐标系xyz轴上与原点等距的六个点连起来也构成正八面体）。
例1．（2005全国初赛）下图是化学家合成的能实现热电效应的一种晶体的晶胞模型。
图中的大原子是稀土原子,如镧；小原子是周期系第五主族元素,如锑；中等大小的原子是周期系VIII 族元素,如铁。
按如上结构图写出这种热电晶体的化学式。
给出计算过程。
提示：晶胞的6个面的原子数相同。
设晶体中锑的氧化态为－1,镧的氧化态为+3,问：铁的平均氧化态多大？解析：晶胞里有2个La原子（处于晶胞的顶角和体心）；有8个Fe原子（处于锑形成的八面体的中心）；锑八面体是共顶角相连的,平均每个八面体有6/2＝3个锑原子,晶胞中共有8个八面体,8x3=24个锑原子；即：La2Fe8Sb24。
答案：化学式LaFe4Sb12 铁的氧化态9/4 = 2.25例2．(2004年全国初赛)最近发现,只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性。
230种晶体学空间群的记号及常见矿石的名称、分子式与所属晶系
(Nameofregularpolyhedron)
正四面体(Regulartetrahedron)
正六面体(Regularhexahedron)
正八面体(Regularoctahedron)
正十二面体
(Regulardodecahedron)
正二十面体
(Regularicosahedron)
11.3662a2
外接球体积V外接球
1.2410a3
2.7205a3
1.4809a3
11.7496a3
3.6033a3
中心原子半径r
0.0443a
0.3660a
0.2071a
0.9103a
0.45105a
配位原子半径R
0.5a
0.5a
0.5a
0.5a
0.5a
r/R
0.0886
0.7320
0.4142
立方
钡钠长石
BaNaAl4Si4O16
正交
氟镁石
MgF2
四方
重晶石
BaSO4
正交
方镁石
MgO
立方
金绿宝石
BeAl2O4
正交
水镁石
Mg(OH)2
六方
铍石
BeO
六方
泻盐矿
MgSO4·7H2O
正交
铋华
α-Bi2O3
单斜
无水钠镁矾
MgSO4·3Na2SO4
单斜
辉铋矿
Bi2S3
正交
斜顽火石
MgSiO3
单斜
碲铋矿
4
P4
P41
P42
P43
I4
I41
P
I
计算机图形学上机指导——金刚石图案算法实现说明（MFC）
金刚石图案算法实现说明1、设计要求：总体需求：将半径为r的圆周n等分，用直线将各等分点作隔点相连，形成的图案称为“金刚石”图案。
具体要求：1、在MFC环境中建立一个由“文件”、“绘图”和“帮助”这3个菜单项组成的菜单。
“文件”的子菜单为“退出”；“绘图”的子菜单为“Diamond”;“帮组”的子菜单为“关于”。
2、定义一个输入对话框类，提供两个参数的输入界面。
3、在客户区显示金刚石图案。
实现效果图如图1-1所示：图1-1 输入对话框及效果图2、具体步骤：1、点的设计1）类视图“ClassV iew”里选中TestClasses后右击，选择“New Class”，打开“New Class”对话框。
2）在“Class type”中选择“Generic Class”，并在“Name”中输入类名“P2D”，然后单击“Ok”。
（到此，在文件视图的“source file”下VC向导自动添加了“P2D.h”和“P2D.cpp”）3）打开“P2D.h”，作类的初始化定义：添加两个公有数据成员x,y,数据类型均为doulbe。
（思考：为什么要设为公有数据成员？）4）完成P2D类的定义。
2、对话框的设计1）在资源视图“Resource View”中选择“Dialog”，并右击，选择“Insert Dialog”。
2）在新建对话框内添加静态文本（static text）和编辑框（Edit Box）控件。
3）属性打开（Alt+Enter）。
Edit1控件的ID为IDC_EDIT1，并设置取值范围：5~50；Edit1控件的ID为IDC_EDIT2，并设置取值范围：200~500；4）双击对话框弹出“Adding a Class”对话框，保持默认值，添加一个新类“Create a new class”，单击“Ok”。
5）在弹出的“New class”对话框中填写对话框类名“InputDlg”，单击“Ok”。
（基类是MFC中的CDialog）6）对话框的设计。
金刚石人工合成
一、碳碳共价键网络赋予金刚石优异的性能
• 金刚石晶体的电子亲和势小，是理想的场发射阴 极材料； • 金刚石又是一种宽带隙半导体（Eg=5.5eV）,击 穿电压(107V）和饱和电流(2.7x107cm s-1)都远远 高于Si, GaAs, InP等常用的半导体材料,结合其优 异的高温性能，在微电子领域，基于金刚石的集 成电路是现有硅基集成电路强有力的竞争者； • 从深紫外到远红外全透明，可应用于巡航导弹红 外探测器的窗口; • 耐磨性能好,可用于太空梭中的铰链、轴承等活动 连接部位。
三、金刚石人工合成
然而，HFCVD 也存在一定的缺点，如热丝容易被氧 化并被腐蚀性气体所腐蚀，这就决定了参与反应的原 料气体的种类；又因为热丝是金属材料，造成金刚石 膜的污染也必不可少。如果制备的金刚石薄膜是用于 机械加工行业，一些金属掺入的污染并不是致命的问 题，但若是应用于微电子或光学窗口领域，这种问题 将是不可以被接受的。如果要提高金刚石薄膜的生长 速率并实现一定取向的生长，热激发所产生的密度不 高的等离子体是不够的，还要通过施加偏压来改善。
三、金刚石人工合成
MPCVD法制备金刚石膜具有许多优点，如反应过程中无电极 ，就不会发生HFCVD 法中因金属丝蒸发、游离到沉积的金刚石 表面，而产生污染问题；直流等离子喷射CVD法中，在电弧的 产生过程中，点火和熄灭所引起的热冲击非常容易造成金刚石 从基片表面脱落；微波激发的等离子体，其电离密度较高等， 因此MPCVD法是众多CVD 法制备金刚石膜中研究者们的首选 。 MPCVD方法制备的金刚石在成核、结晶及生长特性方面与传 统的热丝化学气相沉积（HFCVD）方法有着基本类似的规律。 但对其生长速率而言，比HFCVD法要慢，一般只有0.5～1.0 μm/h。但是，由于MPCVD 方法所制备的金刚石膜有着以上叙 述的优点， 所以一度成为研究学者们制备高品质金刚石薄膜的 主要方法。由此装臵可以制备出面积较大、晶体良好、杂质少 、比较纯净的高质量金刚石薄膜。
2020年暑假高三化学一轮大题练习晶体结构与性质测试含答案及详细解析
绝密★启用前2020年暑假高三化学一轮大题练习晶体结构与性质测试1.(1)①KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立体结构，边长为a＝0.446 nm，晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示。
K与O间的最短距离为________ nm，与K紧邻的O个数为________。
②在KIO3晶胞结构的另一种表示中，I处于各顶角位置，则K处于________位置，O处于________位置。
(2)MgO具有NaCl型结构(如图)，其中阴离子采用面心立方最密堆积方式，X射线衍射实验测得MgO的晶胞参数为a＝0.420 nm，则r(O2－)为________nm。
MnO也属于NaCl型结构，晶胞参数为a′＝0.448 nm，则r(Mn2＋)为________nm。
2.(1)在下列物质中，________________(填序号，下同)是晶体，______________是非晶体。
①塑料②明矾③松香④玻璃⑤CuSO4·5H2O⑥冰糖⑦石蜡⑧单晶硅⑨铝块⑩橡胶(2)晶体和非晶体在外形上有差别，晶体一般都具有_______________，而非晶体___________；另外非晶体具有物理性质______________的特点，而晶体具有物理性质__________________的特点。
(3)判断物质是晶体还是非晶体，比较正确的方法是____________________(填序号)。
①从外形上来判断②从各向异性或各向同性上来判断③从导电性能来判断④从有无固定熔点来判断3.（1）氯化铝常温下为固体，熔点190℃（253kPa），易升华．实验室氯化铝蒸气的密度为11.92g•L﹣1（已折算成标准状况），据此判断氯化铝晶体为_____________晶体，其分子式为_____________．（2）氧化镁晶体的晶胞结构与NaCl晶体的晶胞结构相同．则氧化镁晶体中阴离子的配位数为_____________个；氧化镁晶体的熔点比NaCl高的原因是_____________．（3）金属铁的晶体在不同温度下有如图的两种堆积方式，面心立方晶胞和体心立方晶胞中的Fe原子的配位数之比为_____________；两种堆积方式中密度较大的是_____________立方堆积．4.有E、Q、T、X、Z五种前四周期元素，原子序数：E＜Q＜T＜X＜Z。
合成金刚石的主要机理
图.13 CVD中反应气体激发示意图
图.14 CVD金刚石沉积过程示意图
图.15核的形成与物理过程
4.1两种形成金刚石薄膜的可能热力学模型
图.16
微波等离子体甲基结合金刚石平面示意图
图.17
4.2非平衡定态相图
图.18
4.3 激活低压CVD法反应势垒
引入超平衡氢原子后，在相当 于激活温度下的平衡浓度对衬底 而言，大大超过了平衡浓度，只 要超平衡H的浓度足够大，耦合 反应的自由能小于零，亦即使石 墨与金刚石的相对能级发生变化 ，引起能级差，
高温高压下的反应势垒示意图.11
图.11
目前使用ＨＴＨＰ生长技术,一般只能合成小颗粒的金刚石;在 合成大颗粒金刚石单晶方面,主要使用晶种法,在较高压力和较高温 度下(6000ＭＰａ,1800Ｋ),几天时间内使晶种长成粒度为几个毫米, 重达几个克拉的宝石级人造金刚石。
缺点：
较长时间的高温高压使得生产成本昂贵,设备要求苛刻, 而且ＨＴＨＰ金刚石由于使用了金属催化剂,使得金刚石中残留有 微量的金属粒子,因此要想完全代替天然金刚石还有相当的距离； 而且用目前的技术生产的ＨＴＨＰ金刚石的尺寸只能从数微米到 几个毫米,这也限制了ＨＴＨＰ金刚石的大规模应用。
图.6
图.7
图.8
图.9
稀释气体的氢原子对CVD金刚石多晶膜的生长起重要 作用 ： a〉氢原子与碳形成的甲烷中，使得碳原子在金刚石 亚稳区保持sp3型杂化状态，其驰豫时间足够达到固相 基片表面。 b〉氢原子同甲烷可以形成多种中间态的气相分子和 集团，促使碳－氢键松动，又使碳原子处于或趋于sp3 型及其过渡型的杂化状态，其驰豫时间足够达到固相 基片表面。
②反应气体的裂化
要得到合适的生长速度，必要要使反应气体 裂化，目前已经有很多技术使气体裂化，有 加热方式(如热丝)、电子放电(如直流、射频 或微波)、或燃烧火焰(如氧乙炔炬)。裂化方 式对金刚石的生长有影响。
浅谈正二十面体的衍变
浅谈正二十面体的衍变作者：***来源：《化学教学》2019年第11期摘要：正二十面体及其衍生物是中学化学竞赛的热点，甚至在高考试题中也常出现。
介绍了正二十面体的衍变过程，对硼二十面体B12、足球烯C60、复杂阴离子[CB11H6Cl6]-等的结构进行了探讨，并提出了一些教学建议。
关键词：化学竞赛; 发散思维; 正二十面体文章编号： 1005-6629（2019）11-0093-04; ; ; ; ; ; 中图分类号： G633.8; ; ; ; ; ; 文献标识码： B引言“证据推理与模型认识”是化学学科核心素养[1]五个方面之一，它反映的是化学学科思维方法。
在教学中，如果引入一些模型，往往可以使问题的处理大为简化，从而便于我们去认识、掌握并应用它们。
在化学教学中，模型的建立，具有十分重要的意义。
本文从正二十面体出发，对硼二十面体B12、足球烯C60、复杂阴离子[CB11H6Cl6]-等的结构进行探讨，以期拓展教学思路，提高教学效率。
1; 初步认识正二十面体正二十面体是由20个全等的等边三角形所围成的凸正多面体，共有20个面，12个顶点（5个正三角面围出一个正五重顶），30条棱，6条C5旋转轴（通过每一对相对着的五重顶有一个五重旋转对称轴），如图1和表1所示。
图1; 正二十面体示意图为便于理解和记忆，从C5（A-A′）方向看，我们把正二十面体看作是“雨伞A-BCDEF”（记作：“雨伞A”;其中A看作是“伞顶”;B、 C、 D、 E、 F看作是“伞扣”;△ABC、△ACD、△ADE、△AEF和△AFB看作是“伞面”;正五边形BCDEF看作是“伞边”;A-A′看作是“伞柄”;其余依此类推）和“雨伞A′-B′C′D′E′F′”交错“相扣”，中间夹着“平台BCDEF-B′C′D′E′F′”（正五边形BCDEF看作是该平台的“上底面”;正五边形B′C′D′E′F′看作是该平台的“下底面”;2个正五边形的每一条边都可以看作是等邊三角形的底边，该平台的侧面共由10个等边三角形构成）。
(完整版)常见晶胞模型
氯化钠晶体（1）NaCl晶胞中每个Na+等距离且最近的Cl-（即Na+配位数）为6个NaCl晶胞中每个Cl-等距离且最近的Na+（即Cl-配位数）为6个（2）一个晶胞内由均摊法计算出一个晶胞内占有的Na+4_个；占有的Cl-4个。
（3）在该晶体中每个Na+周围与之最接近且距离相等的Na+共有12个；与每个Na+等距离且最近的Cl-所围成的空间几何构型为正八面体CsCl晶体（注意：右侧小立方体为CsCl晶胞；左侧为8个晶胞）（1）CsCl晶胞中每个Cs+等距离且最近的Cl-（即Cs+配位数）为8个CsCl晶胞中每个Cl-等距离且最近的Cs+（即Cl-配位数）为8个，这几个Cs+在空间构成的几何构型为正方体。
（2）在每个Cs+周围与它最近的且距离相等的Cs+有6个这几个Cs+在空间构成的几何构型为正八面体。
（3）一个晶胞内由均摊法计算出一个晶胞内占有的Cs+ 1个；占有的Cl- 1个。
CaF2晶体（1））Ca2+立方最密堆积，F-填充在全部四面体空隙中。
（2）CaF2晶胞中每个Ca2+等距离且最近的F-（即Ca2+配位数）为8个CaF2晶胞中每个F-等距离且最近的Ca2+（即F-配位数）为4个（3）一个晶胞内由均摊法计算出一个晶胞内占有的Ca2+4个；占有的F-8个。
ZnS晶体：（1）1个ZnS晶胞中，有4个S2－，有4个Zn2＋。
（2）Zn2＋的配位数为4个，S2－的配位数为 4个。
Si O金刚石 金刚石晶胞 金刚石晶胞分位置注释（1）金刚石晶体a 、每个金刚石晶胞中含有8个碳原子，最小的碳环为6元环，并且不在同一平面（实际为椅 式结构），碳原子为sp 3杂化，每个C 以共价键跟相邻的_4_个C 结合，形成正四面体。
键角109°28’b 、每个碳原子被12个六元环共用，每个共价键被6个六元环共用c 、12g 金刚石中有2mol 共价键，碳原子与共价键之比为 1:2 （2）Si 晶体由于Si 与碳同主族，晶体Si 的结构同金刚石的结构。
(2021年最新版人教版选三习题有答案详解)第3章《晶体结构与性质》单元测试题
选修3第三章《晶体结构与性质》单元测试题选择题（每小题只有一个正确答案。
每小题3分，共45分）1.下列有关金属晶体的判断正确的是A．简单立方、配位数6、空间利用率68% B．钾型、配位数6、空间利用率68% C．镁型、配位数8、空间利用率74% D．铜型、配位数12、空间利用率74% 2.有关晶格能的叙述正确的是A．晶格能是气态离子形成1摩离子晶体释放的能量B．晶格能通常取正值，但是有时也取负值C．晶格能越大，形成的离子晶体越不稳定D．晶格能越大，物质的硬度反而越小3.下列排列方式是镁型堆积方式的是A．ABCABCABC B．ABABABABAB C．ABBAABBA D．ABCCBAABCCBA 4.下列关于粒子结构的描述不正确的是A．H2S和NH3均是价电子总数为8的极性分子B．HS－和HCl均是含一个极性键的18电子粒子C．CH2Cl2和CCl4均是四面体构型的非极性分子D．1 mol D162O中含中子、质子、电子各10 N A(N A代表阿伏加德罗常数)5.现代无机化学对硫－氮化合物的研究是最为活跃的领域之一。
其中如图所示是已经合成的最著名的硫－氮化合物的分子结构。
下列说法正确的是A．该物质的分子式为SNB．该物质的分子中既有极性键又有非极性键C．该物质具有很高的熔沸点D．该物质与化合物S2N2互为同素异形体6.某物质的实验式为PtCl4·2NH3，其水溶液不导电，加入AgNO3溶液反应也不产生沉淀，以强碱处理并没有NH3放出，则关于此化合物的说法中正确的是A．配合物中中心原子的电荷数和配位数均为6B．该配合物可能是平面正方形结构C．Cl—和NH3分子均与Pt4+配位D．配合物中Cl—与Pt4+配位，而NH3分子不配7.石墨能与熔融金属钾作用，形成石墨间隙化合物，钾原子填充在石墨各层谈原子中。
比较常见的石墨间隙化合物是青铜色的化合物，其化学式可写作CxK,其平面图形见下图，则x值为:A . 8 B. 12 C.24 D.608.金属键具有的性质是A．饱和性B．方向性C．无饱和性和方向性D．既有饱和性又有方向性9.下列说法正确的是A．124g P4含有的P－P键的个数为6N A B．12g石墨中含有的C－C键的个数为2N A C．12g金刚石中含有的C－C键的个数为1.5N A D．60gSiO2中含Si－O键的个数为2N A 10.长式周期表共有18个纵行，从左到右排为1－18列，即碱金属为第一列，稀有气体元素为第18列。
新版核磁共振分析应用软件用户手册——Ver 1.0
纽迈电子科技有限公司
பைடு நூலகம்
核磁共振分析应用软件 Ver 1.0
目录
目录................................................................................................................................ 1 第一章 分析软件概述.................................................................................................. 5 一、软件功能概述................................................................................................ 5 二、软件版本声明................................................................................................ 5 三、软件应用........................................................................................................ 5 1、范例一：如何自动匀场.......................................................................... 5 2、范例二：如何寻找中心频率.................................................................. 8 3、范例三：如何确定的硬脉冲脉宽........................................................ 10 4、范例四：如何设置 RG1、DRG1 和 PRG ........................................... 12 5、范例五：确定样品后，如何设置 TW ................................................ 14 6、范例六：硫酸铜水溶液的 T2 时间 ..................................................... 15 第二章 分析软件介绍................................................................................................ 19 一、软件的结构.................................................................................................. 19 二、实验步骤...................................................................................................... 19 三、登陆界面...................................................................................................... 20 四、主界面.......................................................................................................... 20 五、参数设置界面.............................................................................................. 24 1、工具栏.................................................................................................... 24 2、参数面板................................................................................................ 27 3、显示区.................................................................................................... 28 六、设置计划任务界面...................................................................................... 30 1、参数含义................................................................................................ 30 2、实验步骤................................................................................................ 31 七、用户管理界面.............................................................................................. 33 1、参数含义................................................................................................ 34 2、超级用户................................................................................................ 35 3、普通用户................................................................................................ 35 八、设备参数界面.............................................................................................. 35 九、采样数据界面.............................................................................................. 36 1、查询........................................................................................................ 38 2、输出........................................................................................................ 39
高考化学一轮复习教案(人教版)第十单元物质结构与性质第10单元第4讲晶体的有关计算
高考题型专项突破 晶体的有关计算(2022·广东高考节选)我国科学家发展了一种理论计算方法，可利用材料的晶体结构数据预测其热电性能，该方法有助于加速新型热电材料的研发进程。
化合物X 是通过该方法筛选出的潜在热电材料之一，其晶胞结构如图1，沿x 、y 、z 轴方向的投影均为图2。
(1)X 的化学式为____________________。
(2)设X 的最简式的式量为M r ，晶体密度为ρ g ·cm －3，则X 中相邻K 之间的最短距离为____________________ nm(列出计算式，N A 为阿伏加德罗常数的值)。
[解题思路分析] (1)根据晶胞结构知，K 有8个，SeBr 6有8×18＋6×12＝4个，则X 的化学式为K 2SeBr 6。
(2)设X 的最简式的式量为M r ，晶体密度为ρ g ·cm －3，设晶胞参数为a nm ，得到ρ＝mV ＝M rN A ×4（a ×10－7）3，解得a ＝34M r N A ρ×107，X 中相邻K 之间的最短距离为晶胞参数的一半，即12×34M r N A ρ×107nm 。
[答案] (1)K 2SeBr 6 (2)12×34M r N A ρ×107(2021·全国乙卷节选)过渡金属元素铬(Cr)是不锈钢的重要成分，在工农业生产和国防建设中有着广泛应用。
回答下列问题：在金属材料中添加AlCr 2颗粒，可以增强材料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。
AlCr 2具有体心四方结构，如图所示。
处于顶角位置的是____原子。
设Cr 和Al 原子半径分别为r Cr 和r Al ，则金属原子空间占有率为____________________%(列出计算表达式)。
[解题思路分析] 已知AlCr 2具有体心四方结构，黑球个数为8×18＋1＝2，灰球个数为8×14＋2＝4，结合化学式AlCr 2可知，灰球为Cr ，黑球为Al ，即处于顶角位置的是Al 原子。
空间几何中的正二十面体与正二十面体
空间几何中的正二十面体与正二十面体正二十面体（Icosahedron）和正二十面体（Dodecahedron）是空间几何中的两种特殊多面体，它们具有独特的形状和性质。
本文将介绍正二十面体和正二十面体的定义、特征以及与其他几何图形的关系。
一、正二十面体的定义和特征正二十面体是由20个等边三角形构成的多面体，每个顶点处有5个等边三角形相交。
它的每个面都是等边三角形，每个顶点都是5个等边三角形的交点。
正二十面体的所有内角和为720度。
正二十面体是对称的多面体，具有高度对称性和美感。
它的对称轴有三个，分别通过两个相对的面、两个相对的棱和两个相对的顶点。
在这些对称轴中，通过面的对称轴将正二十面体分成两个相等的部分。
二、正二十面体的性质和应用正二十面体具有良好的对称性和稳定性，因此在科学研究和实际应用中起着重要的作用。
1. 对称性：正二十面体是五个面积最大、对称性最高的凸多面体之一。
它的对称性使得它在晶体学、材料科学和生物化学等领域中被广泛应用。
2. 晶体学：正二十面体的对称性对于描述和分析晶体结构至关重要。
通过研究晶体中的对称性元素，可以了解晶体的形成和性质，对材料科学和矿物学具有重要意义。
3. 生物化学：正二十面体在生物化学中的应用较多，例如对于病毒结构的研究。
病毒通常具有正二十面体结构，了解病毒结构可以帮助人们开发疫苗和药物治疗方法。
4. 艺术设计：正二十面体的美学特点使得它在艺术设计领域中被广泛运用。
例如在建筑设计和珠宝设计中，正二十面体的对称性和美感能够增加作品的吸引力和独特性。
三、正二十面体与正二十面体的关系正二十面体和正二十面体是空间几何中两种相关的多面体。
它们的关系可以从以下几个方面进行探究。
1. 共线关系：正二十面体和正二十面体都是由等边三角形构成，因此它们的顶点、棱和面都可以一一对应，形成一种共线对应关系。
2. 对偶关系：正二十面体和正二十面体可以通过对偶运算相互转化。
对于两个多面体，如果它们的顶点和面的对应关系满足一定条件，那么它们可以通过对偶运算相互转化。
金刚石微粉介绍
把任何两种不同的矿物互相刻划，两者中必定会有一种受到损伤。有一种 矿物，能够划伤其他一切矿物，却没有一种矿物能够划伤它，这就是金刚石。 金刚石为什么会有如此大的硬度呢？直到18世纪后半叶，科学家才搞清楚了构 成金刚石的“材料”。如前所述，早在公元1世纪的文献中就有了关于金刚石的 记载，然而，在其后的1600多年中，人们始终不知道金刚石的成分是什么。直 到18世纪的70至90年代，才有法国化学家拉瓦锡(1743～1794)等人进行的在氧 气中燃烧金刚石的实验，结果发现得到的是二氧化碳气体，即一种由氧和碳结 合在一起的物质。这里的碳就来源于金刚石。终于，这些实验证明了组成金刚 石的材料是碳。知道了金刚石的成分是碳，仍然不能解释金刚石为什么有那样 大的硬度。例如，制造铅笔芯的材料是石墨，成分也是碳，然而石墨却是一种 比人的指甲还要软的矿物。金刚石和石墨这两种矿物为什么会如此不同？这个 问题，是在1913年才由英国的物理学家威廉•布拉格和他的儿子做出回答。布拉 格父子用X射线观察金刚石，研究金刚石晶体内原子的排列方式。他们发现，在 金刚石晶体内部，每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合，形成一种致密 的三维结构。这是一种在其他矿物中都未曾见到过的特殊结构。而且，这种致 密的结构，使得金刚石的密度为每立方厘米约3.5克，大约是石墨密度的1.5倍。 正是这种致密的结构，使得金刚石具有最大的硬度。换句话说，金刚石是碳原 子被挤压而形成的一种矿物。
目录
Ⅰ.金刚石知识
金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石，它是一 种由纯碳组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的物质。金刚 石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。碳可 以在高温、高压下形成金刚石。金刚石（Diamond）
金刚石和石墨的晶体结构
金刚石和石墨的晶体结构
1、金刚石的晶体结构
金刚石的晶体结构模型
金刚石是典型的原子晶体，在这种晶体中的基本结构粒子是碳原子。
每个碳原子都以sp3杂化轨道与四个碳原子形成共价单键，键长为1.55×10-10m，键角为109°28′，构成正四面体。
每个碳原子位于正四面体的中心，周围四个碳原子位于四个顶点上，在空间构成连续的、坚固的骨架结构。
因此，可以把整个晶体看成一个巨大的分子(如下图所示)。
由于C—C键的键能大(为347 kJ/mol)，价电子都参与了共价键的形成，使得晶体中没有自由电子，所以金刚石是自然界中最坚硬的固体，熔点高达3 550 ℃，并且不导电。
2、石墨的晶体结构
石墨晶体是属于混合键型的晶体。
石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合，形成正六角形蜂巢状的平面层状结构，而每个碳原子还有一个2p轨道，其中有一个2p电子。
这些p轨道又都互相平行，并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面，形成了大π键。
因而这些π电子可以在整个碳原子平面上活动，类似金属键的性质。
而平面结构的层与层之间则依靠分子间作用力(范德华力)结合起来，形成石墨晶体(如下图所示)。
石墨有金属光泽，在层平面方向有很好的导电性质。
由于层间的分子间作用力弱，因此石墨晶体的层与层之间容易滑动，工业上用石墨作固体润滑剂。
石墨的晶体结构模型(Ⅰ)和平面网状结构示意图(Ⅱ)。
常见晶体结构图
常见晶体结构图彩图己烷 C6 H12: 碳原子以 sp2杂化与相邻两个碳原子碳环s骨架，与2个H 成 C-H 键。
二茂铁 Fe(C5 H5 )2: 上下环戊烯阴离子各以六个π 电子参与成键，与Fe对称性匹配的 d3p3轨道形成六个分子轨道，Fe其余的三个价轨道为非键的孤对电子占据。
B12H122-: 12 个 B 形成封闭的三角二十面体，每个 B 还与 1 个 H 形成 B-H 键。
C20H20: 每个 C 以 sp3杂化与相邻的 3 个 C 、 1 个 H 形成 s 键，整个碳笼为正十二面体。
C60: 每个 C 以 sp2杂化与相邻的 3 个 C 形成球形多面体 s 骨架（ 12 个五边形与 20 个六边形），还有 1 个垂直于曲面的 p 轨道与其他 p 轨道形成 1 个离域的大 p 键。
石墨层内 C 以共价键与相邻的 3 个 C 形成平面骨架，层之间为范德华力。
金剛石：为 A4 结构，每个 C 以 sp3杂化与相邻的 4 个 C 形成四面体配位，晶胞中有 8 个 C 原子。
NaCl 晶体属面心立方点阵， Na+与Cl-的配位数均为6。
Cl-作立方最密堆积，Na＋填在Cl－形成的八面体空隙中。
每个晶胞含有4个Cl-和4个Na＋，Cl-位于晶胞顶点与面心位置，Na＋位于体心与棱心位置。
立方 ZnS 晶体中， S 原子作立方最密堆积， Zn 原子填在一半的四面体空隙中，形成立方面心点阵，晶胞中含个 S 原子 4 个 Zn 原子；六方 ZnS 晶体中， S 原子作六方最密堆积， Zn 原子填在一半的四面体空隙中，形成六方点阵，晶胞中含个 S 原子 4 个 Zn 原子 。
CaF 2晶体属立方面心点阵， F -作简单立方堆积， Ca 2＋数目比 F -少一半，填了一半的立方体空隙，每一个 Ca 2＋由八个 F -配位，而每个 F -有 4 个 Ca 2＋配位，每个 CaF 2晶胞有 4 个 Ca 2＋和 8 个 F -原子。
五重旋转对称和二十面体准晶体的发现
金属研究所建成60周年纪念专集五重旋转对称和二十面体准晶体的发现郭可信我早年曾在欧洲从事过近十年的合金钢中的碳化物及合金相研究，除了X 射线衍射外，还使用过当时还算比较新颖的电子显微镜。
在1953年曾在Acta metallurgica发表了3篇有关η-M6C，η2-（Ti,Ta）4Ni2C, Laves相和Sigma相的论文。
这些合金相的晶体结构中都有众多稍微畸变了的二十面体原子团簇（正二十面体是由20个正三角形围成的凸正多面体，每5个正三角形围出一个正五重顶，通过每一对相对着的五重顶有一个五重旋转对称轴。
通过每一对相对着的三角形中心有一个三重旋转轴；通过每一对相对着的棱的中点有一个二重旋转轴。
二十面体点群的符号是235，而立方晶体系中四面体点群的符号是23。
）1956年春天，我在海牙读到周总理“向科学进军”的号召，深受感动，在五一节前回到北京，随后分配到金属研究所工作，直到1987年才转到北京电子显微镜开放实验室工作。
前后在沈阳工作三十一年，时间不算短，以正值壮年，本应有所作为，但是生不逢时，前后赶上大跃进和文化大革命两次大动荡，我的基础研究一直没能在祖国大地扎根。
幸好在打倒四人帮后迎来了科学的第二个春天，我才得以在1983年60岁时才又开始合金相的电子显微镜研究。
我与叶恒强、李斗星合作在镍基和铁基合金中发现了一系列的与Sigma相和Laves相有关的四面体密堆合金相。
在我们的指导下，我的研究生王大能在1984年夏发现了五重旋转对称，张泽在1985年春发现了Ti-Ni 二十面体准晶，我们五人共同在1987年获得了国家自然科学一等奖。
我总算在过了花甲之年后才做出一点成绩，以谢国人，也有了一些值得回忆的事。
大约是在1980年的一天，王元明同志从北京回来对我说,他从科学院进口装备处了解到院里准备引进一两台电子显微镜。
我随即去北京活动，向郁文秘书长立下军令状，保证在电镜安装后三年内做出出色成绩，就这样决定为金属研究所订购一台当时分辨率最高的JEM200CX电子显微镜。
金刚石的计算课件
05
金刚石计算的发展趋势与挑战
发展趋势
算法优化
金刚石计算在算法上正在不断进 行优化和改进，以提高计算效率
和准确性。
硬件加速
随着GPU、TPU等硬件的发展， 金刚石计算正在朝着硬件加速的
方向发展，以提升计算性能。
分布式计算
随着云计算技术的发展，金刚石 计算正在朝着分布式计算的方向 发展，以解决大规模数据集的计
分子动力学模拟
总结词
分子动力学模拟是一种基于经典力学原理的计算方法，可用于研究材料的微观 结构和动态行为。
详细描述
分子动力学模拟通过求解原子间的相互作用力，可以模拟材料的微观结构和动 态行为，如金刚石的晶格振动和热力学性质等。该方法适用于研究材料在不同 温度和压力条件下的性质变化。
蒙特卡洛方法
总结词
总结词
常用的密度泛函理论计算软件
详细描述
VASP是一款常用的密度泛函理论计算软件，由维也纳大学开发，适用于电子结构计算和材料性质模 拟。
VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）
特点 支持多种晶体结构预测
可以模拟固体、液体和表面的性质
VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）
金刚石的应用
工业应用
金刚石在工业领域的应用包括制 造切割工具、钻头、研磨剂等， 以及作为高温高压条件下的实验
材料。
珠宝应用
金刚石因其高硬度和闪亮的外观而 广泛用于珠宝制造，如戒指、项链 等。
其他应用
除工业和珠宝应用外，金刚石还可 以用于制造光学器件、电子器件等 高科技产品。
02
金刚石的计算方法
密度泛函理论（DFT）
CVD法生长金刚石晶粒的形态
CVD法生长金刚石晶粒的形态
刘忠伟;常静宜;丁振亚
【期刊名称】《硅酸盐学报》
【年(卷),期】1994(22)2
【摘要】用ＳＥＭ研究了ＣＶＤ法生长金刚石晶粒的晶体形态，观察到了单晶立方八面体、双晶立方八面体和两种不同形态的二十面体。
晶粒上的三角形晶面多为凹坑，也有｛１１１｝晶面上分层发育的晶层。
在二十面体中，还直接地发现广倾角间隙。
对于ＣＶＤ法生长的金刚石晶粒这些都是首次观察到。
此外还首次观察到其它几种立方多面体晶形。
【总页数】4页(P207-210)
【关键词】化学气相沉积法;金刚石;晶体形态
【作者】刘忠伟;常静宜;丁振亚
【作者单位】中国建筑材料科学研究院,武汉工业大学北京研究生部
【正文语种】中文
【中图分类】O613.71
【相关文献】
1.CVD法制声表面波基片金刚石层细晶粒的生长研究 [J], 何敬晖;玄真武;刘尔凯
2.种晶类型对微波等离子体CVD法合成单晶体金刚石生长质量的影响 [J], 吴改;陈美华
3.热解CVD法沉积金刚石薄膜实验参数对沉积速率和晶粒尺寸的影响 [J], 许宁;
郑志豪
4.微波等离子体CVD法在人造金刚石衬底上外延生长金刚石 [J], 方莉俐;张战;李嘉;马丽莹;于鸿昌;吴宝善
5.直流辉光放电CVD法均匀生长纳米金刚石薄膜的研究 [J], 游志恒;满卫东;吕继磊;阳硕;何莲;徐群峰;白华;江南
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北京大学实验报告
北京大学实验报告系别 物 理 班号 1 姓名 黄冠 （同组姓名____林红斌_____）实验日期 2004 年 2 月 12 日00104035 教师评定________ _________扫描电子显微镜观察CVD金刚石膜SEM Investigation of CVD Diamond Films【实验目的】熟悉扫描电子显微镜的使用并掌握扫描电镜照相技术。
【实验原理】扫描电镜可显示亚微米尺度的形貌特征。
放大倍数一般可达20到20万倍，它的分辨率和景深也较高，是表征CVD法制金刚石膜表面形貌的应用最广泛和最有效的方法。
扫描电镜由三部分组成：①电子光学系统（包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈等）；②样品室；③样品所产生信号的收集、处理和显示系统。
扫描电镜在真空状态下运行，真空度为10-3Pa。
电子枪的热阴极发出的电子受阳极电压加速形成笔尖状电子束。
经过多个电磁透镜的会聚，在末透镜上部的扫描线圈作用下，细电子束在样品表面作光栅状扫描。
入射电子与样品表面相互作用可以分成弹性散射和非弹性散射两类；前者入射电子的能量几乎没有损失，而后者却有能量损失。
扫描电镜中主要的信号是二次电子和背散射电子，主要的工作模式是提供样品的二次电子象。
二次电子是样品原子的外层电子受入射电子激发后有足够能量克服逸出功而离开样品的电子。
习惯上把能量低于50eV的信号电子成为二次电子。
二次电子产生的区域较小，图像分辨率较高。
从样品得到的二次电子产率与表面形态有密切关系，而受样品成分的影响较小，所以它是研究样品表面形貌的最有用工具。
背散射电子是入射电子在样品中受到大角度散射后反射出的电子，可以是一次散射或多次散射的结果。
这些电子形成的象衬度与样品成分的原子序数密切相关，与样品表面形貌也有一定联系，成为二次电子象极重要的一种补充。
二次电子象的衬度有两个因素决定：1. 样品表面被扫描的倾角θ对δ影响所形成表面倾斜衬度。
其中θ是样品对于电子束的倾角或电子的入射角，δ是二次电子产率，即二次电子数与入射电子数之比。
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第 2期
余志明 等 : 正二十面体金刚石的形成及其计算机模拟
·103·
图 1 超高真空热丝化学沉积系统 ( a)设备实物照片 ( b)设备总体结构示意图 Fig. 1 H FCVD system ( a) p hoto of the H FCVD reactor and ( b) the schem atic of the system
近年来 ,正二十面体结构的金刚石晶粒 ( ID C ) 不断被报道 [ 13219 ] 。有研究者认为 , 正二十面体晶粒 是由孪晶所 致 , 故 也 称 为 多 重 孪 晶 (M TP ) 粒 子 。 ID C 成核机理和生长过程仍然处在研究和发展中 , 对于正二十面体晶体的结构 、点阵畸变 、点阵缺陷 、 表面重构与表面弛豫等均有待于作进一步研究 。
表 1 金刚石薄膜的沉积参数 Tab le 1 The p aram e te rs of d iam ond th in film dep os ition
Techno logy F ilam en t tem p erature t / ℃
Sp acing betw een sam p le& filam ent d /mm
中图分类号 : O 613. 71; TQ 163
文献标识码 : A
1 前言2 实验来自自然界中 ,正四面体 、正八面体和立方体形状的 晶体屡见不鲜 ,而五重对称的正二十面体晶体外形 则很少发现 。但在人工晶体中 , 一些最密立方堆积 结构的金属和化合物中则经常观察到正二十面体结 构 。 [ 1212 ]
通过观察 ID C 晶体表面形貌 、分析 ID C 晶体学 特征 ,推测出 ID C 的每个表面为金刚石 { 111}面 , 其 五重旋转对称由正十二面体晶核引入 , ID C 的 20个 表面为金刚石 { 111 }面沿正十二面体晶核的 20 个 顶点生长而成 。使用 M a te ria l S tud io M ode ling中的
摘 要 : 采用热丝化学气相沉积 (H FCVD )法 ,以甲烷和氢气为反应气体 ,在 YG13 (W C 213% C o)硬质合金基体上
制备了金刚石膜 。膜中存在大量五重对称结构的正二十面体金刚石晶粒 ( ID C ) 。当尺寸较小时晶粒为较完整的
正二十面体形状 ,尺寸达微米级后晶粒为带有“沟槽 ”或“凹坑 ”的变种正二十面体形状 。研究了 ID C 的形成机制 ,
3 实验结果
沉积金刚石样品的 XRD 衍射结果如图 2所示 , 在 2θ= 43. 8o 、75. 3o 、91. 5o 和 119. 5o 处出现衍射 峰 ,符合四面体立方堆积 ( te trahed ra l cub ic p ack ing, TC P) 结构金刚石的衍射规律 。S EM 观察发现当甲 烷 /氢气 体 积 比 为 3% ～ 3. 3% , 总 气 体 流 量 为 20mL /m in～25mL /m in, 沉积压强为 3 kPa, 基体温
正十二面体烷的合成方法及结构特点 : 20个碳原子
位于正十二面体的顶点 , 30条 C —C 键围成 12个正
五边形 ,每个碳原子除与相邻的三个 C 原子键合形
成三根 C —C 键外 ,还有一根键与氢结合形成 C —H
键 ,如图 5 所示 。 Eng le r[ 25 ] 和 A llinge r[ 26 ] 等人分别
图 1是实验所用设备 :超高真空热丝化学气相 沉积 (H FCVD )系统 。沉积室由不锈钢腔体构成 ,配 备涡轮分子泵组 ,极限真空度可达 10 - 6 Pa。其中包 括真空系统及真空监测控制系统 、气体流量控制系 统 、气体取样分析系统 、混气室 、反应室 、混合气体裂 解热丝及其电源系统 、基体控温监测设备 、偏压系统 等 。反应气体的流量由质量流量计进行控制 , 反应 室压强由 CM LA 2 21S08型薄膜电容式真空计监测 控制 ,灯丝温度用光学高温计测定 , 基体温度由 K 型热电偶监控 。反应气体为纯度均为 5m o l /L 的 H2 和 CH4 ,基体 YG13 (W C 2C o13% ) 硬质合金作为基 体 , H FCVD 金刚石沉积工艺参数见表 1。样品采用 Dm ax22500VB X 射线衍射仪 ( XRD ) 进行分析测试 λ ( Cu2Kα = 0. 154 nm ) 和 S irion200 场发射扫描电镜 ( FES EM )进行形貌观察 。
围成的正八面体 [ 21 ] 。不难证明 , 正十二面体时的比
表面积比正八面体少约 10% 。从热力学观点看 , 当
金刚石 晶 体 呈 正 二 十 面 体 形 状 且 每 个 表 面 均 为
{ 111}时 ,可以最大限度地满足晶体生长的 G ibbs条
件
,
即满足
Σγ l
A
l
= m in.
(式中 γl为表面自由能 , A l
为该表面的面积 ) 。这表明晶体存在长大为正二十
面体的内在趋势 。只要存在适当的晶核和生长动力
学条件 ,金刚石晶体就会长大成为正二十面体形状 。
这里面临的首要问题是 :形成 ID C 的晶核是什
么? Paque tte等 [ 22224 ]从上世纪 70 年代以来对这种
空间高度对称的分子进行了大量研究 , 详细报道了
并进行了计算机模拟 。结果表明 : 对于四面体立方结构来说 , ID C 的 { 111}孪晶面与正常 { 111}孪晶面相比存在
2. 87o的差异 ,孪晶面两侧原子几何位置失配 ,使其成为畸变孪晶面 ,这种畸变孪晶面导致 ID C 晶粒存在“凹坑 ”和
“沟槽 ”; ID C 的晶核是正十二面体烷 ( C20 H20 ) 。 关键词 : 化学气相沉积 ; 金刚石 ; 正二十面体晶粒 ; 十二面体烷 ; 计算机模拟
0. 154 nm , C —C —C 键角 (图 5 中的 < 角 )为 108o 。
通过计算可知 , C20 H20中 H —C —C 键角 (图 5 中的
φ角 )为
110.
91o , 两相邻的
C
—H
键的夹角
S ubstrate tem p eratu re t / ℃ CH4 /H2 ( vo lum e pe rcent) To ta l gas flow qv /mL ·m in - 1
G as p ressu re p / Pa R eaction tim e t /m in
Param eter 2 300 ±100
本文在实验观察的基础上 , 根据五种柏拉图体 中正十二面体与正二十面体二者之间的几何套构关 系 ,从热力学和晶体学角度对 ID C 晶体生长进行合 理推论 ,得到 ID C 的晶核为正十二面体烷 (D odeca2 hed rane, C20 H20 )的推测 。最终 , 通过对称性操作和 原子势场几何优化对 ID C 的形成进行了计算机模 拟 ,证明了形成 ID C 的晶核为 C20 H20 , 研究并讨论 了 ID C 多种形态变种的原因 。
4 讨论
理论研究结果表明 , TC P 金刚石晶体的 { 111 } 面的表面自由能最小 , 晶体的平衡形状 (同样体积 下总表面自由能最低的晶体形状 )为 8个 { 111}面
·104·
新 型 炭 材 料
第 24卷
图 3 金刚石薄膜的场发射 SEM 照片 Fig. 3 SEM im ages of the d iam ond film s
图 4 不同沉积时间的 ID C 的场发射 SEM 照片 ( a) 30m in,完整的 ID C 颗粒 ( b) ～ ( c) 90m in, 带有“沟槽 ”和“凹坑 ”的 ID C 颗粒 Fig. 4 SEM im ages of deposited diam ond film s under different reaction tim e ( a) 30m in, p erfect ID C ( b) 90m in, ID C w ith d im p les o r g rooves
图 2 金刚石样品的 XRD 分析 F ig. 2 XRD pattern of the d iam ond film s
当沉积时间为 30m in时 , 单个晶粒呈现出较为 完整的二十面体结构 , 尺寸约为 200 nm (见图 4a) ; 沉积时间为 90m in时 ,尺寸较大的 ID C 颗粒并不是 与图 7a一样的完整正二十面体结构 ,而是带有缺陷 的变种正二十面体结构 。晶粒在每个五重对称中心 处存在一个“凹坑 ”或正二十面体的每条棱处存在 一条“沟槽 ”(见图 4b、c ) 。该现象与 M an i等 的 [ 20 ] 报道结果完全一致 。
收稿日期 : 2008205210; 修回日期 : 2008212230 基金项目 :粉末冶金国家重点实验室开放基金 ( 2008112048) ; 湖南省研究生创新基金 ( 1343274236000005) ; 中南大学优秀博士论文扶持基金
( 2008yb015) ; 中南大学贵重仪器开放共享基金 ( ZKJ2008001) . 通讯作者 :魏秋平 , Tel: + 86273128830335, E2m ail: qpw eicsu@ gm ail. com 作者简介 :余志明 ( 1956 - ) , 男 ,湖南桃源人 , 瑞典皇家工学院博士 , 教授 ,博士生导师 ,主要从事化学气相沉积金刚石膜的研究.
第
24卷 第 2期 2009年 6月
文章编号 : 100728827 ( 2009) 0220102207
新 型 炭 材 料 N EW CA RBON M A TER IAL S
V o l. 24 N o. 2 J un. 2009
正二十面体金刚石的形成及其计算机模拟
余志明 1, 2 , 魏秋平 1 , 叶 浚 1 , A. F lod rstr m3