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金刚石的简介、结构、性能和合成

发布日期:2020-09-23 09:56 作者:威尼斯人app

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  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 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。 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。 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 1~10mm。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,通常加热温度从 2000℃到2400℃,反应腔内典型的压 力是50Torr,HFCVD中金刚石生长速 度从0.1μm/h到15μm/h。沉积面积从几 平方毫米到300 cm2。该技术的主要缺 点是金刚石膜的厚度和质量是不均匀的 。 谢谢观赏 Make Presentation much more fun


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