金刚石的简介、结构、性能和合成汇总.

金刚石的结构
晶体格子中，一个原子与相邻四个原子具有正四面体结 构的情况，存在立方晶系和六方晶系两种可能，天然金 刚石和人造金刚石一般都是立方晶系金刚石，但也存在 一种六方晶系金刚石。把具有这两种晶体结构的金刚石 分别称为立方金刚石和六方金刚石。
金刚石的结构
• 立方金刚石的晶体结构： 立方金刚石为等轴晶系，在常压和 室温下晶格常数为0.356— 0.357nm。这种晶体结构可以分割 成许多相同的立方晶胞，晶胞表面 上的原子分布正好形成一个面心立 方结构，晶 胞内有四个原子，它们 各自与一个顶角的原子和三个相邻 面心的原子等距，并以共价键相联 结，形成具有正四面体的结构。
金刚石的性能
• 金刚石的化学性质
• 金刚石的化学成分是碳，杂质主要有石墨、氮、硼、硅等非金属元素，以及 触媒元素如铁、钴、镍、锰等。金刚石由于是强共价键结合，以及碳原子的 特性，因而在常温下的化学性质非常稳定，耐酸碱及其他化学药品的腐蚀。 因此可充分利用此性质来进行人造金刚石的提纯。也可以利用强酸腐蚀镶有 金刚石的旧钻头、旧工具，使金刚石从胎体上脱落下来加以回收，而无损于 金刚石的质量。
金刚石的合成
目前主要有两种制备合成单晶金刚石的方法：一 种是高温高压法（high temperature and high pressure），简称HTHP；另外一种就是化学气相 沉积法（chemical vapor deposition）,简称CVD
高温高压（HTHP）法合成金刚石
• 高温高压法泛指温度超过1500℃，压强超过109Pa的条件下制备金刚石的方 法，国外一般称作温度梯度法，国内称作温度差法。HTHP法中，目前有两 种设备可用以制备金刚石：一种是用六面顶压机，它主要是将石墨相的碳转 化为金刚石相的碳；另外一种设备是两段式分球压机设备，它是由前苏联科 学家Boris Feigelson等人在90年代初研制开发的。
金刚石的结构
• 六方金刚石的晶体结构： 六方金刚石属六方晶系，其晶格常 数为a=0.252nm，c=0.412nm。这 种晶体结构可以分割成许多相同的 六方晶胞，每个原子与相邻的四个 原子以共价键联结，具有正四面体 结构。
金刚石的性能
• 金刚石的机械力学性质
• 金刚石是迄今地球上最硬的物质， 由于金刚石中的C-C键很强，所以 金刚石硬度大。在莫氏硬度中,以 10种矿物为基准来确定1-10的硬度 值，金刚石的莫氏硬度为10，如表 所示。正因为金刚石硬度大，所以 可以用来做玻璃刀。金刚石的硬度 是各向异性的，不同晶面和不同方 向上的硬度不同。金刚石的硬度以 {100}＜{110}＜{111}的顺序变化。 就是在{111}面内也因方向不同而带 有各向异性。
金刚石的简介
• 金刚石一般为粒状，有各种颜色， 从无色到黑色都有，以无色的为特 佳。金刚石的颜色取决于纯净程度 、所含杂质元素的种类和含量，极 纯净者无色，一般多呈不同程度的 黄、褐、灰、绿、蓝、乳白和紫色 等；纯净者透明，含杂质的半透明 或不透明。金刚石的折射率非常高 ，色散性能也很强，这就是金刚石 为什么会反射出五彩缤纷闪光的原 因。
金刚石的结构
• 金刚石是立体网状结构,在金刚石结 构中，碳原子具有四价状态，即 sp3杂化状态。金刚石结构的基本 特点是每个碳原子与4个邻近的碳 原子相连，它们处在四面体顶角方 向，每个碳原子与4个邻近的碳原 子共用四对价电子，形成4个共价 键与其周围的原子连接，形成一个 四面体。金刚石晶体是由许多四面 体叠加而成。任意抽出2个相邻的 共价键，每两个单键归两个六元环 所有，而不是只归一个六元环所有 （如图所示，红色的两个碳碳单键 ，可以构成蓝色和紫红色的两个六 元环）。
金刚石
主要内容
金刚石的简介 金刚石的结构 金刚石的性能 金刚石的合成
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金刚石的简介
• 金刚石，碳的同素异形体，是自然界中 已知的最坚硬的物质，有天然和人造两 类。天然金刚石仅产出于金伯利岩筒中。 金伯利岩是它们的原生地岩石，其他地 方的金刚石都是被河流、冰川等搬运过 去的。金刚石俗称“金刚钻”,也就是我 们常说的钻石，是一种由纯碳组成的矿 物。碳可以在高温、高压下形成金刚石。 金刚石是原子晶体，用它的元素符号加 注释来表示[C(金刚石)]。
金刚石的性能
• 金刚石的电学性质
• 纯净的不含杂质的金刚石是绝缘体，室温下的电阻率在1016Ω·cm以上，只有 掺入少量硼或磷杂质后，才显示出半导体特性。介电常数为5.6，金刚石的禁 带宽度5.5eV，在紫外线辐照下出现光导电性。组成金刚石晶体的C元素同其 它半导体材料Si、Ge同属于元素周期表的Ⅳ族，它们都是以相同的价电子以 工见见组合而构成晶体。同Si、Ge一样，金刚石具有优良的半导体性质。
金刚石的性能
• 金刚石的光学性质
• 人造金刚石由于合成过程中所用触 媒成分的不同以及生成温度、压力 、包裹体等因素的影响，而有淡黄 、黄绿、绿、灰黑、黑色等多种颜 色，多为半透明至透明。一般以颜 色浅、透明度高的质量好。金刚石 具有很高的折射率，其折射率为 2.40-2.48。对于波长589.3nm的光 ，其折射率为2.417。金刚石具有 强的散光性，色散系数为0.063。 这就是作为宝石的金刚石晶莹发亮 的主要原因。金刚石晶体在不同射 线辐照下能发出各种颜色的光
• 目前工业上主要还是利用HTHP法制备单晶金刚石，其最大优点是制造工艺 较简单，金刚石的生长速度快，通常在10—20min内就能合成出1mm以下的 金刚石单晶，从而满足各种工业需要。随着生长技术的发展，现在通过控制 生成核可以生长出粒径达2mm的金刚石。
化学气相沉积法
• 化学气相沉积法（CVD）主要利用的是在高温空间（也包括在基板）以及活 性空间中发生的化学反应。制备金刚石所用到的气体原料一般为甲烷和氢气 ，通过在高温条件下激发使气体发生分解，生成含碳基团的活性粒子，并最 终在基片材料上沉积出金刚石膜。制备单晶金刚石的方法主要有微波等离子 辅助化学气相沉积法、热丝辅助化学气相沉积法、电子回旋共振微波等离子 体化学气象沉积法、直流等离子体喷射化学气相沉积法、燃烧火焰化学气相 沉积法等。