金刚石的简介、结构、性能和合成详解.ppt

金刚石 金刚石的简介 金刚石的结构 金刚石的性能 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{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 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