金刚石的简介、结构、性能和合成

1、金刚石 l金刚石的简介 l金刚石的结构 l金刚石的性能 l金刚石的合成 主要内容 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

2、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。 金刚石的简介 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

3、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

4、共价键相联 结，形成具有正四面体的结构。 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 1

5、00110111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1016cm以上，只有 掺入少量硼或磷杂质后，才显示出

6、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

7、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 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，

8、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。 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1020min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，

9、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。 化学气相沉积法-热丝辅助化学气相沉积（HFCVD） 混合气体进入反应室经过热丝区域到达 基体表面，分子氢在热丝表面催化分解 。反应区域只是由热丝周围很小区域组 成的，这使得单根丝的作用范围受到了 限制，并且热丝与基体间的最佳距离是 110mm。这一过程范围与这些小的激 活区域有关，并且大面积沉积只是通过 在反应腔内使用多根丝来完成。热丝可 以用W、Mo等，通常加热温度