金刚石
金刚石材料简介
金刚石材料基本概念：金刚石就是我们常说的钻石（钻石是它的俗称），它是一种由纯碳组成的矿物。
金刚石的化学式 NC----N个C,金刚石是原子晶体,一块金刚石是一个巨分子,N个C的聚合体.只能用它的结构式表示.代表材料：天然单晶金刚石，人造单晶金刚石，人造聚金刚石，CVD金刚石膜1、天然单晶金刚石天然单晶金刚石是一种各向异性的单晶体。
硬度达HV9000-10000，是自然界中最硬的物质。
这种材料耐磨性极好，制成刀具在切削中可长时间保持尺寸的稳定，故而有很长的刀具寿命。
天然金刚石刀具刃口可以加工到极其锋利。
可用于制作眼科和神经外科手术刀；可用于加工隐形眼镜的曲面；可用于金刚石手术刀切割光导玻璃纤维；用于加工黄金、白金首饰的花纹；最重要的用途在于高速超精加工有色金属及其合金。
如铝、黄金、巴氏合金、铍铜、紫铜等。
用天然金刚石制作的超精加工刀具其刀尖圆弧部分在400倍显微镜下观察无缺陷，用于加工铝合金多面体反射镜、无氧铜激光反射镜、陀螺仪、录像机磁鼓等。
表现粗糙度可达到Ra(0.01-0.025)μm。
天然金刚石材料韧性很差，抗弯强度很低，仅为(0.2-0.5)Gpa。
热稳定性差，温度达到700℃-800℃时就会失去硬度。
温度再高就会碳化。
另外，它与铁的亲和力很强，一般不适于加工钢铁。
2、人造单晶金刚石人造单晶金刚石作为刀具材料，市场上能买到的目前有戴比尔斯(DE-BEERS)生产的工业级单晶金刚石材料。
这种材料硬度略逊于天然金刚石。
其它性能都与天然金刚石不相上下。
由于经过人工制造，其解理方向和尺寸变得可控和统一。
人造单晶金刚石刀具随着高温高压技术的发展，人造单晶金刚石最大尺寸已经可以做到8mm。
由于这种材料有相对较好的一致性和较低的价格，所以受到广泛的注意。
作为替代天然金刚石的新材料，人造单晶金刚石的应用将会有大的发展。
3、人造聚晶金刚石人造聚晶金刚石(PCD)是在高温高压下将金刚石微粉加溶剂聚合而成的多晶体材料。
金刚石结构式
金刚石结构式1. 介绍金刚石是一种非常重要的材料，具有极高的硬度和优异的热导性能。
这些特性使得金刚石在许多领域中得到广泛应用，包括工业、电子、医学和化学等。
本文将详细介绍金刚石的结构式以及其相关特性。
2. 结构式金刚石的化学式为C，它是由碳原子组成的晶体。
在金刚石中，每个碳原子形成了四个共价键，并与其他四个碳原子相连，形成了一种稳定而坚固的立方晶体结构。
如上图所示，金刚石的结构可以被描述为一个由碳原子组成的立方晶格。
每个碳原子都与其周围四个碳原子共享电子对，形成了一个类似于正方形的平面。
这种平面又与其他平面相互堆叠，并通过强大而稳定的共价键连接在一起。
3. 特性3.1 硬度金刚石是地球上最硬的物质之一。
这是由于它的结构中碳原子之间的共价键非常强大，使得金刚石具有出色的抗压能力。
因此，金刚石被广泛应用于硬质材料的制备，如切割工具、研磨材料和高速车床刀具等。
3.2 热导性金刚石具有优异的热导性能，这是由于它的结构中碳原子之间紧密排列、共价键强度高的特点所决定。
这使得金刚石在高温环境下能够快速传导热量，并且不易受到热膨胀或变形的影响。
因此，金刚石被广泛应用于散热器、激光器和电子元件等需要高效散热的设备中。
3.3 光学性质金刚石具有优异的光学性质，包括高透明度和折射率。
这使得金刚石成为制造光学元件（如透镜）和光学窗口等领域中重要材料。
4. 应用领域4.1 工业由于金刚石具有极高的硬度和耐磨性，它被广泛应用于工业领域。
金刚石切割工具（如锯片、钻头）能够在高速、高温和高压的条件下进行切割和加工各种材料，如石材、玻璃、陶瓷和金属等。
4.2 电子金刚石在电子领域中也有重要应用。
由于其优异的热导性能和高电阻率，金刚石可以用作散热器、半导体器件基板和射频功率放大器等器件的制造材料。
4.3 医学金刚石在医学领域中也发挥着重要作用。
由于其生物相容性和化学稳定性，金刚石被用作人工关节表面涂层和牙科手术器械等医疗设备的制造材料。
金刚石分类
金刚石分类一、金刚石的定义和特性金刚石是一种由碳元素构成的矿物，具有非常高的硬度和优异的热导性能。
它的硬度是其他自然物质中最高的，是所有黏结物品的主要成分之一。
金刚石具有良好的光学性质和化学稳定性，因此在许多领域都有广泛的应用。
金刚石的特性主要有以下几个方面：1.硬度：金刚石是大自然中最硬的物质之一，其硬度达到摩氏硬度10级。
这使得金刚石成为加工和切割材料的理想选择。
2.热导性：金刚石具有极高的热导率，是目前已知矿物中最好的导热材料之一。
这使得金刚石在高温高压条件下能够快速散热，适用于一些高温工艺和散热部件。
3.光学性质：金刚石具有很高的折射率和散射能力，能够在光学器件中起到重要的作用。
例如，金刚石可以用于制造激光束衍射光栅和光学窗口。
二、金刚石的分类方法根据金刚石的不同特性和用途，可以将其分类为以下几种类型：1. 天然金刚石和人造金刚石天然金刚石是在地壳中形成的，经过数百万年的压力和温度作用下，碳元素形成了金刚石的晶体结构。
而人造金刚石是通过高温高压或化学气相沉积等方法在实验室中合成的。
两者在化学结构和性质上基本相同，但天然金刚石的稀有度和价值要高于人造金刚石。
2. 工业金刚石和宝石级金刚石根据金刚石的不同用途，可以将其分为工业金刚石和宝石级金刚石。
工业金刚石主要用于加工和切割工具，例如砂轮、锯片和钻头等。
宝石级金刚石则经过精细加工，用于制作珠宝首饰。
3. 黑色金刚石和彩色金刚石根据金刚石的颜色，可以将其分为黑色金刚石和彩色金刚石。
黑色金刚石由于含有杂质或断裂而呈现出黑色或深灰色，大多用于工业领域。
彩色金刚石则具有多种颜色，包括黄色、蓝色、绿色和粉红色等，通常用于珠宝首饰。
4. 单晶金刚石和多晶金刚石金刚石的晶体结构可以是单晶或多晶。
单晶金刚石由一个完整的晶体构成，具有更高的硬度和更好的光学性质，适用于一些高精度和光学器件。
多晶金刚石由多个晶体颗粒组合而成，其物理性质较差，主要用于工业加工和研磨。
金刚石的三大用途是什么
金刚石的三大用途是什么金刚石是一种由碳元素构成的矿物，具有非常高的硬度和热导率。
由于其独特的物理特性，金刚石被广泛应用于各个领域。
下面将介绍金刚石的三大主要用途。
一、工业用途：1. 切割和磨削工具：由于金刚石的硬度非常高，因此金刚石常常被用作切割和磨削工具的刀片或磨具。
例如，金刚石切割片广泛用于切割石材、金属和混凝土等硬材料。
金刚石磨具被用于磨削和抛光工艺，能够提供高质量的表面光洁度。
2. 钻石工具：金刚石是唯一能够切削钻石的材料，因此金刚石常被用于制作钻石工具，如金刚石钻头、钻石刀片和钻石锉等。
这些工具在采矿、建筑和制造业中广泛应用，用于切割和加工各种材料。
3. 磨料粉末：金刚石经过粉碎和筛分后可以制成金刚石磨料粉末，被用作高效磨料材料。
金刚石磨料粉末被广泛应用于磨削、抛光和研磨工艺中，用于加工金属、陶瓷、宝石和玻璃等材料。
二、宝石用途：1. 珠宝饰品：金刚石被誉为“永恒的珠宝”，因为它的硬度、光泽和稀有性质使其成为珠宝饰品中的顶级宝石。
金刚石可以被切割成各种形状，用于制造戒指、项链、耳环等珠宝饰品，常常作为婚庆和重要场合的礼物。
2. 工业用金刚石：由于金刚石的硬度和热导率，其在工业上也被用作工具材料，如金刚石刀、钻头和磨具等。
这些金刚石工具具有超强的切削和磨削能力，能够有效加工硬材料，在工业生产中有广泛的应用。
三、高科技用途：1. 电子设备：金刚石在电子设备中有广泛的应用。
由于金刚石的热导率非常高，它被用作高功率电子器件的散热材料，如高性能电脑芯片和激光二极管等。
2. 光学器件：金刚石具有卓越的光学性能，因此被广泛应用于光学器件中。
例如，金刚石被用作激光器的光学腔体、光学窗口和束流器等。
金刚石的高透明度和硬度使其成为高品质光学器件的理想材料。
3. 陶瓷加工：金刚石也被用于陶瓷加工中。
由于其硬度高、耐磨性好，金刚石被用作陶瓷刀片，用于切割和加工陶瓷制品。
总结起来，金刚石的三大主要用途包括工业用途、宝石用途和高科技用途。
金刚石的特点和用途是什么
金刚石的特点和用途是什么金刚石是一种由碳元素组成的矿物，具有独特的物理和化学特性，使其在许多领域中有广泛的应用。
以下是金刚石的特点和用途的详细介绍。
一、金刚石的特点：1. 极高硬度：金刚石是地球上最硬的天然物质，莫氏硬度为10，远远超过其他矿物和材料。
这使得金刚石能够用于切割、粉碎、磨削等高强度和高效率的加工工艺。
2. 高热传导性：金刚石具有极高的热导率，几乎是铜的五倍。
这使得金刚石可以在高温环境下进行加工和使用，并具有优异的耐磨性和抗变形能力。
3. 优异的化学稳定性：金刚石在常温常压下几乎是不溶于任何常见的化学物质的。
这使得金刚石可以在各种化学腐蚀和腐蚀环境中使用，具有很高的耐久性和长寿命。
4. 宽光谱透过性：金刚石具有宽光谱透过性，能够透过整个可见光谱和大部分紫外光谱。
这使得金刚石可以应用于光学领域，如激光器、红外窗口和高能粒子探测器等。
二、金刚石的用途：1. 工具加工领域：由于金刚石具有极高的硬度和耐磨性，广泛应用于刀具、磨料和磨料工具的制造。
金刚石刀片、砂轮和磨料石可用于硬质材料的切割、磨削和抛光。
此外，金刚石钻头和刀具也广泛应用于钢、陶瓷、玻璃、复合材料等硬脆材料的切削、钻孔和加工。
2. 高能领域：金刚石在高能物理领域的应用十分广泛。
由于金刚石具有良好的辐射抗损伤性能和高热传导性，被用于制造高能粒子探测器、引爆装置、高强度光束传输系统等装置。
3. 光学领域：金刚石具有宽光谱透过性、高折射率和低散射率等优异的光学性能，广泛应用于光学镜片、激光器和光纤通信等领域。
金刚石窗口被用于高功率激光器和高压和高温实验装置中，以承受强大的光束和高温高压环境。
4. 电子领域：金刚石具有优异的电特性，如高电击穿场强、高载流子迁移率等，被广泛应用于半导体和电子器件的制造。
金刚石薄膜和金刚石晶体管被用于高功率和高频率电子器件，如功率电子器件、射频功率放大器和传感器等。
5. 医疗领域：金刚石在医疗领域的应用也日益增多。
金刚石标准
金刚石标准金刚石是一种稀有的宝石，被广泛用于珠宝饰品和工业应用。
为了确保金刚石的质量和价值，国际上制定了一系列的金刚石标准。
这些标准通常涵盖金刚石的颜色、纯度、切割和重量等方面。
在本文中，我们将详细介绍金刚石标准的相关内容。
一、颜色标准颜色是判断金刚石品质的重要因素之一。
国际上通常采用GIA（Gemological Institute of America）的颜色等级来评判金刚石的颜色。
GIA的颜色等级从D到Z，D表示无色，Z表示有颜色。
根据GIA的标准，D、E和F级的金刚石被视为无色或几乎无色，是最珍贵的。
G、H和I级的金刚石也被视为几乎无色，是高质量的。
J级及以下的金刚石具有明显的黄色或棕色，质量较低。
二、纯度标准金刚石的纯度是指其内部或表面的瑕疵程度。
国际上通常采用GIA的纯度等级来评判金刚石的纯度。
GIA的纯度等级从FL（无瑕疵）到I3（明显的瑕疵）分为6个等级。
FL和IF（全内无瑕）级的金刚石几乎没有内部或表面瑕疵，是最珍贵的。
VVS1和VVS2级的金刚石有非常微小的瑕疵，几乎看不见。
VS1和VS2级的金刚石有小的瑕疵，但不会影响其美观。
SI1和SI2级的金刚石有明显的瑕疵，需要通过放大镜才能看见。
I1、I2和I3级的金刚石有明显的瑕疵，质量较低。
三、切割标准金刚石的切割是指将原石切割成适合珠宝饰品的形状和比例。
切割质量影响金刚石的光学性质和外观。
国际上通常采用GIA的切割等级来评判金刚石的切割。
GIA的切割等级分为Excellent（优）、Very Good（很好）、Good（好）、Fair（一般）和Poor（差）五个等级。
优级的切割能使金刚石充分反射光线，具有最佳的光彩。
差级的切割则会使金刚石失去光彩，影响其美观。
四、重量标准金刚石的重量以克拉为单位。
克拉是国际上通用的衡量金刚石质量的标准。
大多数金刚石以小数点后两位的数字表示其重量。
0.25克拉的金刚石表示为"25分"。
为什么金刚石最坚硬
为什么金刚石最坚硬金刚石是一种极硬的矿物，其物理特性和化学特性使其成为世界上最坚硬的物质之一。
金刚石坚硬的原因在于其晶格结构、化学成分和晶界的特性。
在本文中，我们将详细探讨金刚石之所以最坚硬的原因。
1. 金刚石的晶体结构金刚石是由纯碳元素构成的，其晶格结构十分稳定，由每个碳原子围成的正四面体构成。
这种晶格结构可以提供非常强大的化学键，使得金刚石变得极其稳定和坚硬。
与其它矿物相比，金刚石有一个非常紧密的晶体结构，这意味着它在受到压力时会更加难以变形或损坏。
2. 化学成分金刚石是由纯碳元素组成，每个碳原子都与其他四个碳原子形成共价键，在这种化学结构下，所有碳原子共享其电子。
这种化学结构非常紧凑和有序，使金刚石能够承受高度的沙冲击力和硬度。
3. 晶界的特性金刚石由许多细小的晶粒组成，这些晶粒之间存在晶界。
这些晶界是由残留的杂质或缺陷组成的，由于杂质或缺陷处占据了一小部分金刚石的地方，所以晶界的存在会使得晶体的体积变小，从而可以缓解晶体内部产生的应力。
此外，晶界也可以在金刚石受到外力作用时起到减少应力集聚的作用。
这些因素使得金刚石更加坚硬。
4. 硬度的测试硬度是衡量材料抵抗划痕的能力。
在硬度测试中，通常使用莫氏硬度，即一种以牙齿为原型的硬度测试方法。
在莫氏硬度测试中，矿物学家使用不同等级的矿物来划痕被测试物质的表面。
金刚石比所有其它矿物的硬度都高，是莫氏硬度等级中的最高级别，达到了10级。
总之，金刚石是由纯碳元素构成，具有非常紧密的晶格结构和化学结构。
晶界的特性也使得其具备了抗压、抗磨擦、抗切削等方面的优良表现，因此享有极高的硬度。
上述因素共同作用，使金刚石成为当今世界最坚硬的材料之一。
5. 金刚石在工业、科研和艺术领域的应用由于其非常硬的特性，金刚石在工业、科研和艺术领域都有广泛的应用。
在工业领域，金刚石被广泛应用于制造钻头、雕刻刀具、刨刀、磨料、磨料涂层等工业用品。
金刚石钻头的制造需要使用高温高压设备，采用“金刚石合成”技术。
金刚石
金刚石金刚石是碳在高温高压条件下的结晶体，是自然界最硬的矿物。
其名称来源于希腊文“Adamas”，意为坚硬无敌。
金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产，在国民经济中具有重要的作用。
金刚石按用途分为两类：质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石，质差粒细用于工业的称工业用金刚石。
宝石级金刚石，又称钻石，光泽灿烂，晶莹剔透，被誉为“宝石之王”，价值昂贵，是世界公认的第一货品，其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度的标志。
达不到宝石级的金刚石（工业用金刚石），以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交通、冶金、地勘、国防等工业领域和现代高、新技术领域。
金刚石按所含微量元素可分为Ⅰ型金刚石和Ⅱ型金刚石两个类型。
Ⅰ型金刚石多为常见的普通金刚石。
Ⅱ型金刚石比较罕见，仅占金刚石总量的1%～2%。
Ⅱ型金刚石因常具有良好的导热性、解理性和半导体性等，多用于空间技术和尖端工业。
具微蓝色彩的优质大粒Ⅱ型金刚石视为钻石中之珍品，如重 3 106ct（Carat，克拉）世界著名的“库利南”钻石，即属此类。
人类对金刚石的认识和开发具有悠久的历史。
早在公元前 3 世纪古印度就发现了金刚石。
自公元纪年起至今，钻石一直是国家与王宫贵族、达官显贵的财富、权势、地位的象征。
世界金刚石矿产资源不丰富，1996年世界探明金刚石储量基础仅19 亿ct，远不能满足宝石与工业消费的需要。
20 世纪60 年代以来，人工合成金刚石技术兴起，至90 年代日臻完善，人造金刚石几乎已完全取代工业用天然金刚石，其用量占世界工业用金刚石消费量的90%以上（在中国已达99%以上）。
金刚石主要生产国为澳大利亚、俄罗斯、南非、博茨瓦纳和扎伊尔等。
世界钻石的经销主要由迪比尔斯中央销售组织控制。
中国发现金刚石约在200～300 年前，在明清朝之际（约17 世纪），湖南省农民在河砂中淘到过金刚石。
金刚石的地质勘查工作始于20 世纪50 年代。
迄今，在中国发现的重量大于90 ct的著名金刚石有6 颗，如重约158 ct的“常林钻石”等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
34卷(2005年) 3期前沿进展人工合成金刚石研究进展3陈干旺娄正松王强陈昶乐(中国科学技术大学结构分析重点实验室和化学与材料学院合肥230026)摘要1796年英国科学家S. Tennant的精确燃烧实验,首次揭示金刚石是由纯碳构成的宝石,从此人类开始了漫长的人工合成金刚石的探索. 金刚石通常只能在极端条件下形成,因此,合成技术的突破是人类合成水平提高的一个重要标志,文章对这一领域一些重要工作做了简单回顾,也讨论了作者在合成金刚石方面的工作. 我们在440℃的低温条件下,用碱金属(Li,Na, K)还原超临界CO2 ,得到透明、大尺寸的金刚石晶体,首次实现了金刚石燃烧实验的逆过程,即把低能、直线型CO2 分子变成了碳- 碳四面体连接的金刚石,开辟了人工合成金刚石的新途径. 也讨论了它与天然金刚石起源之间的可能联系.关键词金刚石, CO2 ,化学还原,电子金刚石Recent progress in diamond synthesisCHEN Qian2WangLOU Zheng2Shong WANG Qiang CHEN Chang2Le( S tructure Research Laboratory and School ofMaterials and Chemistry, Univesity of Science and Techonology of China, Hefei 230026, China)Abstract Rrecent advances in diamond synthesis are reviewed. Artificial diamonds synthesized under highpressure and high temperature has led to wide usage of such diamonds in industry. Low temperature coating ofdiamonds has been studied for some time and chemical vapor deposition has been developed. In our group densecarbon dioxide is reduced by alkalimetals (Li, Na, K) to producecolourless large diamond crystals at 800 atmand 400 ℃. Diamonds readily burn in air, forming carbon dioxide. This is the first time that the reverse con2 version of carbon dioxide to diamond has been realized. Carbonates are important candidates as potential hostsfor carbon in the Earth’s mantle and crust, It is known that the mantle in the past has been strongly reducing,based on the thermodynamic analyses of diamond inclusions. It is suggested that diamond within the Earth couldbe p roduced from carbon dioxide wherever carbon dioxide exists and conditions ( eg. temperature, p ressure,and reducing environment) are satisfied.Key words diamond, carbon dioxide, reverse conversion, electronic diamond3 国家自然科学基金(批准号: 20125103)资助专案2004 - 08 - 10收到初稿, 2004 - 11 - 24修回通讯联系人. Email: cqw@ustc. edu. cn1 碳- 碳四面体连接赋予它优异的性能从各种测量角度来说,金刚石是“最大和最好的”. 除了作为宝石装饰品外,金刚石广泛应用于精密仪器、磨料、切割工具、钻探、航天和军事等工业领域. 如:金刚石的导热性很好,在常温下,它的导热率是铜的五倍,因此它被用作微波器件和固体激光器的散热片以及能够在高温( 500—700℃) 、高频、高功率或强辐射条件下稳定工作的大规模集成电路;金刚石晶体的电子亲和势小,是理想的场发射阴极材料;同时金刚石又是一种宽带隙半导体( E g =515eV) ,击穿电压(107V)和饱和电流(2. 7 ×107 cm·s- 1 )都远远高于Si, GaAs, InP等常用的半导体·199·物理材料(表1) ,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;用金刚石制造的对顶砧(DAC)是高压物理、高压化学研究不可缺少的手段;还用于冷阴极场发射器件和激光窗口材料或其他透镜材料,或用于光学保护涂层;目前它已用作半导体热阱、热敏电阻及高灵敏温度计;它从深紫外到远红外全透明, 做可应用于巡航导弹红外探测器的窗口;它耐磨性能好,故可用于航天飞机中的铰链、轴承等活动连接部位.表1 金刚石的主要性能[ 1 ]性能数值单位硬度10, 000 kg/mm2强度, 伸张> 1. 2 GPa强度, 耐压> 110 GPa声速18, 000 m / s密度3. 52 g/ cm3杨氏模数1. 22 GPa泊松比0. 2 无量纲热膨胀系数0. 0000011 K热导20. 0 W / cm·K热震参数30, 000, 000 W /m德拜温度2, 200 K折射率(在591 nm) 2. 41 无量纲透光性(从纳米到远红外) 225 无量纲损失角正切值( 40 Hz) 0. 0006 无量纲介电常数5. 7 无量纲击穿强度10, 000, 000 V / cm电子迁移率2, 200 cm2 /V·s空穴迁移率1, 600 cm2 /V·s电子饱和速率27, 000, 000 cm / s空穴饱和速率10, 000, 000 cm / s功函数小,且是负值在[ 111 ] 面能隙5. 45 eV电阻率1013 —1016 Ohm·cm金刚石的所有优良性质,都得益于它的不同凡响的特殊结构,即中心碳原子以4个sp3 杂化轨道与4个邻近的碳原子成键(键长0. 154 nm,键角109°28′) ,形成4个σ键,金刚石许多优异性能来源于碳- 碳四面体结构. 金刚石晶体属于立方晶系、Fd3m[ 227 ]空间群,晶格常数0. 3566nm.2 大自然赐予人类的礼物———钻石金刚石是一种矿物,早在公元前1000年,人们就发现并知道金刚石很硬,“金刚石”的英文名dia2 mond,源于阿拉伯字“almas”(“最坚硬的”) 或希腊字“Adamas”(“无敌的”) ,意即钻石(学名金刚石)是“无敌的、不可征服的”. 长期以来,它无论是在科学家还是在普通老百姓心目中都占据着重要地位,看过电影《泰坦尼克号》的人一定都不会忘记影片中美丽的“海洋之心”,它晶莹剔透的色泽、超大的品质和悠久的历史,使它成了当之无愧的王者. 长期以来,人们都热衷于收藏各式各样的钻石,因为精美华丽的钻石不仅是富贵的象征,更是权利和地位的象征,所以,钻石的价值早已超出了它的实际价格.科学研究揭示,由碳元素组成的金刚石,竟与自然界最软的物质石墨同宗同祖,只是结构即原子排列不同. 30亿年前,在地壳下面150千米或更深的地幔中,处在高温高压岩浆中的碳,被锤炼成一种特殊结构的、呈八面体等外形的晶体. 火山爆发时,它们夹在岩浆中,上升到接近地表时冷却,形成含有少量钻石的原生矿床———金伯利岩. 自然界中天然钻石少之又少,大颗粒钻石更是凤毛麟角. 一般说来,人们从1吨金刚石砂矿中,只能得到0. 5克拉钻石,所以它们远不能满足人们日益增长的需求.尽管美丽的钻石是大自然对人类的恩赐,但是它一直填不满人们的欲望. 历史上,在这个美丽石头背后所展开的殊死争夺,说起来惊心动魄,有些情节甚至令人发指!印度是世界上最早发现钻石的国家, 公元前3000年时,印度人已经发现并认识到钻石的某些性质. 早期的名贵钻石,大都来自印度. 重199. 6克拉的“奥洛夫”钻石,原来镶嵌在印度一座神庙的神像眼睛中. 一个法国士兵发现这个秘密后,冒着被杀头的危险,盗走这颗价值连城的钻石. 为了把钻石安全带出国境,这位法国兵士不惜切开自己腿上的肌肉, 将钻石藏在其中. 即使这样,他还是在印度的一条河旁被杀,钻石神秘失踪.3 充满激情和创新的金刚石人工合成的漫长里程由于金刚石具有上述优异性能和用途,加之在·200·前沿进展34卷(2005年) 3期自然界中储量极少,开采极为困难,从古到今,金刚石一直被称为“贵族材料”. 人们很早就尝试以人工合成来补充天然储量的不足. 自从1796年发现金刚石是由纯碳元素组成的晶体后,人类在人工合成金刚石方面才开始了有目标的漫长而艰苦的探索. 但直到20世纪中叶,由Simon和Berman通过实验和推测获得了石墨- 金刚石平衡相图,才使人工合成成为可能.据说, 1953年瑞士的一个研究组曾经合成了钻石,但没有发表有关结果. 1954年12月8日,美国GE (通用电器)公司宣布H. Tracy Hall等人成功地合成了金刚石, 158年的苦苦探索终于结出了成功的果实,从此人工合成金刚石的产量逐渐超过了天然金刚石的产量. 工业化合成金刚石需要1400℃的高温和5万—10万个大气压的超高压条件(图1) , 由于合成条件限制,此种方法很难生长大晶体,尽管国外有些报导,但由于条件苛刻未能商业化生产. 对于尖端技术上(如巡航导弹的红外探测器窗口)所用的金刚石,就要求它的尺寸较大. 而且高温高压方法成本高,设备复杂,尤其是产品颗粒尺寸小、颜色黄,也很难制成宝石级金刚石.图1 金刚石和石墨的温度- 压力相图[ 2 ]目前,人类已掌握了多种金刚石的合成方法,按其原理来分,基本上可以分为高温高压和亚稳态生长两类,本文分四个部分进行讨论:3. 1 高温高压法( HPHT)合成金刚石1796年, S. Tennant将金刚石燃烧成CO2 ,证明金刚石是由碳组成的. 后来又知道天然金刚石是碳在深层地幔经高温高压转变而来的,因此人们一直想通过碳的另一同素异形体石墨来合成金刚石. 从热力学角度看,在室温常压下,石墨是碳的稳定相,金刚石是碳的不稳定相;而且金刚石与石墨之间存在着巨大的能量势垒. 要将石墨转化为金刚石,必须克服这个能量势垒. 根据热力学资料以及天然金刚石存在的事实, 人们开始模仿大自然的高温高压条件将石墨转化为金刚石的研究,即所谓的高温高压(HPHT)技术.早期合成金刚石的想法始于1832 年法国的Cagniard及后来英国的Hanney和HenryMoisson. 但直到1953年,瑞典的L iander等才通过HPHT技术首次成功合成了金刚石[ 3 ] , 接着美国GE 公司的Bundy等人就利用此法得到了人造金刚石[ 4 ] . 他们把石墨与金属催化剂相混合,通常使用Fe、Ni 、Co等金属作催化剂,在约1300—1500K和6—8GPa的压强下得到了金刚石. 并于20 世纪60 年代将HPHT金刚石应用于工具加工领域.不用催化剂得到金刚石的实验在1961年获得成功. 用爆炸的冲击波提供高压和高温条件,估计压强为30GPa, 温度约1500K,得到的金刚石尺寸为10μm[ 5 ] . 1963年又在静压下得到了金刚石,压强为13GPa, 温度高于3300K,历时数秒钟得到的金刚石尺寸为20—50μm.目前使用HPHT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,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HPHT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长的距离;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,这也限制了金刚石的大规模应用.3. 2 低压法合成金刚石3. 2. 1 简单热分解化学气相沉积法在20世纪50年代末,用简单热分解化学气相沉积法合成金刚石分别在前苏联科学院物理化学研究所和美国联合碳化物公司获得成功. 具体做法是, 直接把含碳的气体,比如CBr4、CI4、CCl4、CH4 或CO 或简单的金属有机化合物,在约900—1500K时进行分解. 由于气相的温度与衬底的温度相同,金刚石的生长速率很低,约0. 01μmh- 1 ,而且通常有石墨同·201·前沿进展物理时沉积.3. 2. 2 启动低压金刚石生长1958年,美国Eversole等采用循环反应法,第一个在大气压下利用碳氢化合物成功地合成了金刚石薄膜[ 6 ] ,随后,苏联的Derjagin等也用热解方法制备出了金刚石薄膜[ 7 ] ,这项创新成果一直没有引起人们的重视,甚至受到嘲笑,因为人们普遍受到“高温高压合成金刚石”框框的限制. 直到20世纪80年代初,日本科学家Setaka和Matsumoto等人发表一系列金刚合成研究论文,他们分别采用热丝活化技术、直流放电和微波等离子体技术,在非金刚石基体上得到了每小时数微米的金刚石生长速率,从而使低压气相生长金刚石薄膜技术取得了突破性的进展[ 8, 9 ] . 正是这些等离子体增强化学气相沉积(CVD)技术及其后来相关技术的发展,为金刚石薄膜的生长提供了基础,并使之商业化应用成为可能. CVD是通过含有碳元素的挥发性化合物与其他气相物质的化学反应,产生非挥发性的固相物质,并使之以原子态沉积在置于适当位置的衬底上,从而形成所要求的材料. CVD法目前已成功地发展了许多种,如热丝CVD 法、直流电弧等离子体CVD法、射频等离子体CVD法、微波等离子体CVD法、电子回旋共振CVD法、化学运输反应法、激光激发法、燃烧火焰法等[ 10—16 ] . 启动CVD法一般用来生长薄膜,现在已发展成生长厚膜和单晶金刚石外延膜技术, 在多晶膜中, 金刚石晶粒尺寸可达100—300μm. 2002年,瑞典科学家Isberg等人用等离子体CVD技术在金刚石基底上外延生长了金刚石单晶,它有很高的电荷迁移率,展现出碳芯片的前景[ 17 ] . 金刚石芯片首先要求晶体是扁平状的单晶,普通的CVD金刚石薄膜是由很多晶粒组成的,晶界对电子的散射决定了这种材料不能用作芯片. 金刚石的结晶习性是八面体,四面体,十二面体或它们的聚形也经常出现, 天然金刚石通常在〈111 〉面上生长, 〈100〉面很少见,而在合成金刚石中经常能见到立方面. 但扁平状的金刚石很少见,它是金刚石的例外外形,只是在非洲的天然金刚石矿中有很少的这种金刚石,但它仍不能作芯片用,因为天然金刚石总是含有大量杂质,而芯片用金刚石要求很纯. 因此,目前的制备方法是在金刚石单晶上用CVD技术外延生长. 金刚石芯片能使计算机在接近1000℃的高温条件下工作,而硅芯片在高于150℃就会瘫痪,由于绝好的导热性能,使得金刚石器件可以做得更小,集成度进一步提高. 目前金刚石晶体管和发光二极管已在实验室实现,但离工业化还有一段时间,要解决的问题很多,其中包括片状金刚石的生长和掺杂问题.表2 几种半导体室温性能的比较[ 1 ]硅碳化硅- 4H 氮化镓金刚石能隙1. 1 3.2 3.44 5. 5eV最大击穿强度0. 3 3 5 20MV / cm电子迁移率1450 900 2000 4500cm2 /Vs空穴迁移率480 120 200 3800cm2 /Vs热导1. 5 5 1. 3 24W / cm·K3. 3 水热、溶剂热等其他合成技术1996年, Ting - zhong Zhao、Rustum Roy等人用玻璃碳为原料,镍作催化剂,在金刚石晶种存在的条件下,通过水热方法合成出了平均粒径为0. 25μm的金刚石. 1998 年, 钱逸泰院士和李亚栋博士以CCl4 为碳源成功地合成了纳米金刚石. 2001年, Yu2 ryGogotsi等人用SiC作碳源,在1000℃也合成了金刚石. 这些合成的一个共同特征是在选择碳源上,要求碳原子必须采取sp3 杂化,与金刚石中的碳一样, 这样向金刚石的转化会容易一些. 事实上, CVD 低压合成金刚石工艺中碳源的选择也是遵循这一原则的,该工艺中碳源一般是CH4 ,其中碳原子是sp3 杂化的, CH4 分子是四面体结构,与金刚石中碳- 碳四面体连接很类似,如果将CH4 中的4 个氢原子拿掉,让剩下的骨架在三维空间重复,就得到了金刚石结构[ 18—20 ] .3. 4 两百多年后的“逆变”本实验室用自己研制的高压反应釜进行实验,用安全无毒的二氧化碳作原料,使用金属钠作为还原剂,在440℃和800个大气压的条件下,经过12h的化学反应,成功地将CO2 还原成了金刚石[ 21 ] . 我们用碳酸镁代替CO2 ,也成功地合成了金刚石,晶粒尺寸增加到0. 51mm,在灯光下闪闪发光[ 22 ] . 碳酸镁为固体反应物,容易操作,它的成功使用一方面使工艺更加简化,另一方面为探索天然金刚石的起源提供了更多有价值的信息,因碳酸镁是地球内部非常普通的矿物. 金刚石合成新工艺的探索是一项艰难的工作,两个多世纪以来,也曾有过几项新技术被报道,但难以重复而没有工业化,有的工艺甚至没有后续的进一步研究结果报导. 还原CO2 合成金刚石有比较好的重复性,用碱金属L i, K代替Na也取得了·202·前沿进展34卷(2005年) 3期成功[ 23 ] . 图2 显示出了该工艺合成的小金刚石晶体,呈八面体外形,是典型的金刚石结晶习性,尺寸约10μm,实验中发现尺寸增大,八面体外形消失. X射线粉末衍射(图3)及拉曼光谱(图4)的结果都证实产物为立方金刚石. 该立方金属金刚石的拉曼光谱特征峰的波数为1331. 8cm- 1 , 其半高宽为4.7cm- 1 ,与天然金刚石的拉曼光谱半高宽(2. 5cm- 1 )很接近,表明金刚石结晶得很好.图2 我们采用新工艺合成的金刚石, 尺寸约10μm[ 21 ]图3 一颗金刚石小单晶的X射线衍射图[ 43. 95°处的衍射峰是立方金刚石的(111) ,衍射峰很强,摇摆曲线的半高宽为0106°,表明晶体结晶性很好,小单晶是从合成的样品中挑出的]1796年,英国科学家Smithson Tennant通过燃烧金刚石产生二氧化碳的著名实验,第一次认识到金刚石是由纯碳构成的宝石, 2002年,我们研究组选用二氧化碳作为碳源, 碱金属作为还原剂, 在440℃的温度条件下将二氧化碳还原成金刚石;该研究是在两个多世纪以后首次实现从二氧化碳到金刚石的逆转变. 它是一个全新的金刚石合成方法.二氧化碳是低能分子和各种有机物彻底燃烧的产物,即工业废气;从化学角度分析,二氧化碳是直线型、非极性分子,它是如何被还原并形成碳- 碳四面体连接的大尺寸金刚石的,其转变机理有重要的基础研究价值.图4 金刚石小单晶的拉曼光谱, 1331. 8cm - 1是立方金刚石的特征峰4 天然金刚石起源初探人工合成金刚石始终没能挑战天然宝石金刚石产业,根本原因是人类还没有真正了解天然金刚石的形成机理. 长期以来人们的认识是:碳在地幔层,约150km以下经高温高压被锤炼成了金刚石,然后通过火山爆发由岩浆带出地面(如金伯利岩中的金刚石). 该理论基于三个事实,一是碳同位素分析发现构成金刚石的碳都是古老的碳;二是金刚石的包裹体中含有来自地幔的矿物;三是人们已经实现了由石墨经高温高压转变成金刚石,而这种条件在地球内部是存在的. 但该理论还不能解释很多问题,如碳同位素分析显示巴西金刚石是地壳起源的. 另一个问题是金刚石在高温岩浆里向地表运动过程中,压力释放,高温为什么没有使金刚石消失或石墨化.惟一的假设是这种从地下向地表的输运过程非常快,而实际情况是岩浆在接近地表几公里时才以极快的速度喷发. 地球里有大量CO2 和碳酸盐,并且地球内部是还原性的(远古时还原性更强) ,我们认为天然金刚石很有可能是通过CO2 在地球内部的还原而形成的,根据我们合成金刚石的压力和温度条件,推断天然金刚石在地表以下30km左右就能形成. 具体细节如形成的地点、如何解释包裹体和同位素分析结果等问题将在其他文章中讨论.5 结语CO2 在地球上的储量极其丰富,它是许多工业生产排放的废气, CO2 排入空气后,会引起“温室效·203·前沿进展物理应”,导致全球气候变暖,世界各国投入大量人力、物力进行治理. CO2 无毒,利用CO2 作为碳源合成无机和有机产物是科学家追求的目标. 用CO2 为原料合成金刚石具有极高的经济效益和社会效益, 国家应致力于将它培育成国际性的大产业. 最近,本实验室已能控制生长双晶金刚石,呈六角扁平外形,它是电子金刚石的绝好材料,此前人工从未合成过.参考文献[ 1 ] Spear K E, Dismukes J P. Synthetic Diamond2Emerging CVD Science and Technology. Spear and Dismukes, Wiley, NY,1994[ 2 ] Bundy F P. J. Geophys. Res. , 1980, 85, B12: 6930 [ 3 ] Liander H et al. Ark Kemi, 1960, 16: 139[ 4 ] Bundy F P, Hall H T, Strong H M et al. Nature, 1955, 176: 51[ 5 ] GreinerN R, Phillip s D S, Johnson J D, Volk F. Nature, 1988, 333: 440[ 6 ] EversoleW G. U S Patents: 3030187, 3030188, 1962[ 7 ] Deryagin B V et al. J. Crystal Growth, 1968, 2: 380 [ 8 ] Matsumoto S, Sato Y, KamoM et al. J App l. Phys(part20) , 1982, 21: L281[ 9 ] Matsumoto S et al. J. Mater Sci. , 1982, 17: 3106[ 10 ] Angus J C, Will H A, Stanko W S. J App l. Phys. , 1968, 39: 2915[ 11 ] KamoM et al. J. Crstal Growth, 1983, 25: 642[ 12 ] Hirose Y et al. J. App l. Phys. , 1986, 25: L519[ 13 ] LandstrassM I, Ravi KV. App l. Phys. Lett. , 1989, 55: 1391[ 14 ] Kurihara K, Sasaki K, KawaradaM et al. App l. Phys. lett. , 1988, 52: 437[ 15 ] Burkhard G, Dan K, Tanabe Y et al. Jpn J. App l. Phys. , 1994, 33: 5875[ 16 ] Roy R, Cherian K A, Cheng J P et al. Innov. Mater. Res. , 1996 (1) : 65[ 17 ] Isberg J et al. Science, 2002, 297: 1670[ 18 ] Zhao T Z, Rustum R, Cherian KA et al. Nature, 1997, 385: 513[ 19 ] Li Y, Qian Y, Liao H et al. Science, 1998, 281, 246 [ 20 ] Gogotsi Y et al. Nature, 2001, 411: 283[ 21 ] Lou Z S, Chen Q W, Zhang Y F et al. J. Am. Chem. Soc. , 2003, 125: 9302[ 22 ] Lou Z S, Chen QW, WangW et al. Angew. chem. Int. Ed, 2003, 42: 4501[ 23 ] Lou Z S, Chen Q W, Zhang Y F et al. J. Phys. Chem. B, 2004, 108: 4239·204·前沿进展__。