金刚石 简介
金刚石具有优异的物理化学性能：高的硬度、高热导率、高光学透过性能、高化学稳定性、宽禁带宽度、负的电子亲合性、高绝缘性以及良好的生物兼容性等，这使得金刚石成为21世纪最具潜力的新型功能材料。但由于天然金刚石稀少且价格昂贵，无法应用于大规模生产中，从而限制了人们对金刚石的应用。人造金刚石具有与天然金刚石相同的结构和与之相媲美的性能，而且成本低廉，因此有着广泛的应用和商业前景。
金刚石结构
金刚石是典型的原子晶体，属于等轴晶系，它的晶格是一个复式格子，在一个面心立方原胞内有四个碳原子，这四个原子分别位于四个空间的对角线的1/4处。金刚石中碳原子的结合是由于碳原子外壳的四个价电子2s，2p3的杂化而形成共价键（sp3）。每个碳原子和周围四个碳原子共价，一个碳原子在正四面体的中心，另外四个同它共价的原子在正四面体的顶角上，中心的碳原子和顶角上每一个碳原子共用两个价电子。棒状线条视为共价键。因此得出，正四面体中心的碳原子价键的取向同顶角上的碳原子是不同的。比如：若一个的价键指向左上方，则另一个的价键必指向右下方。由于价键的取向不同，这两种碳原子周围的情况也不同，即立方体的顶角及面心上碳原子的周围情况是不同于在对角线上的四个碳原子的情况。因此，金刚石结构式复式格子，由两个面心立方的布喇菲原胞沿其空间对角线位移1/4的长度套构而成。
金刚石优异性能
由于金刚石特殊的晶体结构，使金刚石具有许多优异的性能。诸如在所有的物质中具有最高的硬度（HV≈100GPa）；在30~650℃内，是热导率最优良的固体物质20W/（cm•K）；对于高纯的金刚石，除红外区（1800~2500nm）的一小带外，对红外光和可见光都具有非常优异的透光性能，可应用于短波长光、紫外线的探测器中；金刚石又是良好的绝缘体，室温下电阻率为1016Ω•cm，掺杂后可成为半导体材料，能制作高温、高频、高功率器件；此外还具备许多其他特殊的优异性能，如耐腐蚀、抗辐射、耐高温、化学惰性等。因此，由于金刚石诸多优异的性能使得金刚石在现代化的工业领域有着广泛的应用前景。
金刚石制备
高温高压(HTHP) [8]法
高温高压（HTHP）法最早是以石墨为原料的，引入适宜的金属催化剂Fe、Co、Ni、Mn、Cr等，在2000K以上温度，几万个大气压下可以合成金刚石。目前，高温高压（HTHP）法只能生长小颗粒的金刚石；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HTHP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，因此要想完全取代天然金刚石还有相当的距离[9]。
1.3.2化学气相沉积(CVD) [10]法
化学气相沉积（CVD）法是在高温条件下使原料分解，生成碳原子或甲基原子团等活性粒子，并在一定工艺条件下，在基材（衬底）材料上沉积生长金刚石膜的方法。常见的CVD方法包括：热化学沉积（TCVD）法，等离子体化学气相沉积（PCVD）法。等离子体化学气相沉积法又可以分为直流等离子体化学气相沉积（DC-PCVD）法、射频等离子体化学气相沉积（RF-PCVD） 法和微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法及微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积（ECR-PCVD）法等。
微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）由于微波激发等离子体具有无极放电、污染少、等离子体密度高、成本低、衬底外形适应性强等优点，受到国内外研究者的普边关注。而且其中等离子体是由微波激发产生，微波能通过波导管传输到沉积生长室，使气体激发成为等离子体并分解为各种基团。圆筒状微波等离子体CVD是最基本的一种装置，通过矩形波导管把2.45GHz的微波限制在发生器和生长室之间，衬底经微波辐射和等离子体加热。
微波等离子体CVD法（MPCVD）与热丝CVD法（HFCVD）相比，避免了HFCVD法中因热金属丝蒸发而对金刚石造成的污染以及热金属丝对强腐蚀性气体（如高浓度氧、卤素气体等）十分敏感的缺点，使得在工艺中能够使用的反应气体的种类比HFCVD中多许多；与直流等离子体炬相比，微波功率调节连续平缓，使得沉积温度可连续稳定变化，克服了直流电弧法中因电弧的点火及熄灭而对衬底和金刚石的巨大热冲击所造成的金刚石晶粒容易从基片上脱落的问题[18]；通过对MPCVD反应室结构的调整，可以在沉积腔中产生大面积而又稳定的等离子体球，有利于大面积、均匀地沉积金刚石，这一点又是火焰法所难以实现的[19]。因而MPCVD法制备金刚石的优越性在目前的制备中显得十分突出。
碳的同素异形体，是已知的最硬的物质，有天然和人造两类。
金刚石族
金刚石（Diamond）
C
【化学组成】成分中可含有N、B、Si、Al、Na、Ba、Fe、Cr、Ti、Ca、Mg、Mn等元素。其中N、B最为重要，是目前金刚石分类的基本依据。首先根据是否含N分为两类：一是含N者为Ⅰ型，Ⅰ型又据N的存在形式进一步分为Ⅰa型和Ⅰb型。Ⅰa型中N含量大于0.1%，以细小片状的形式存在，增强了金刚石的硬度、导热性、导电性。天然金刚石中98%为Ⅰa型。Ⅰb型中N含量很小，N以单个原子置换金刚石中的C，Ⅰb型绝大多数见于人造金刚石中，而仅占天然金刚石的1%左右。二是不含N或含量极微（＜0.001%），又根据是否含B进一步分为Ⅱa型和Ⅱb型。Ⅱa型一般不含B。天然的金刚石中Ⅱa型含量很小。具良好的导热性是Ⅱa金刚石的特性。Ⅱb型含B杂质元素，往往呈天蓝色，具半导体性能，Ⅱb型金刚石在自然界中也罕见。此外，还可出现混合型金刚石，即同一颗粒金刚石内，氮的分布不均匀，既有Ⅰ型区，又有Ⅱ型区；或既有Ⅰa型区，又有Ⅰb型区。
【晶体结构】等轴晶系；；a0 =0.356nm；Z=8。在金刚石的晶体结构（图18-3）中碳原子分布于立方晶胞的8个角顶和6个面中心，在将晶胞平均分为8个小立方体时，其中的4个相间的小立方体中心分布有碳原子〔图18-3（a）〕。金刚石结构中的碳原子以共价键与周围的另外 4 个碳原子相连，键角109°28′16″，形成四面体配位 〔图 18-3（b）〕。金刚石具有紧密的结构，原子间以强共价键相连，这些特征造成了它具有高硬度、高熔点、不导电的特性。由于结构在{111}方向上原子的面网密度大，其间距也大，故产生{111}中等解理。
图18-3 金刚石的晶体结构
【形态】自然界中金刚石大多数呈单晶产出，常见圆粒状或碎粒。其单形主要是八面体{111}，菱形十二面体{110}及他们的聚形。少数为八面体{111}、菱形十二面体{110}与立方体{100}、四六面体{hk 0}成聚形。由于熔蚀作用常见晶体呈浑圆状，晶面弯曲（图18-4），并出现蚀象，不同的单形有不同的蚀象，如八面体晶面出现三角形，立方体晶面出现四边形熔蚀坑。目前也发现有些金刚石具四面体晶形（如我国辽宁已发现几颗四面体金刚石），这样就可能导致金刚石的对称型为，这与通常认为金刚石的对称型为m3 m 相矛盾，对于这个问题，目前已有研究表明是由于双晶结构导致的假象四面体晶形（A.Yacoot and M.Moore，1993）。
图18-4 金刚石的晶形
【物理性质】无色透明，常带深浅不同的黄色色调，也有呈乳白色、浅绿色、天蓝色、褐色和黑色等等；典型的金刚石光泽，断口油脂光泽。平行{111}解理中等。硬度10。相对密度3.50～3.52。性脆。折射率N=2.40～2.48，具强色散性。纯净金刚石导热性良好，室温下其导热率几乎是铜的5倍。
【成因及产状】金刚石仅形成于高温高压的条件下，为岩浆作用的产物，目前仅见产于超基性岩的金伯利岩（角砾云母橄榄岩）、钾镁煌斑岩及高级变质岩榴辉岩中。当含金刚石的岩石遭受风化后，可以形成金刚石砂矿。世界上著名金刚石产地有南非、扎伊尔、原苏联亚库梯等。我国山东、辽宁、贵州等地相继发现金刚石的原生矿床。1977年在山东省临沭县发现我国迄今最大的一颗天然金刚石，它在亚洲也是罕见的，这颗金刚石重158.7860克拉，呈淡黄色，透明，称“常林钻石”。
【鉴定特征】极高的硬度，标准金刚光泽，晶形轮廓常呈浑圆状。
【主要用途】金刚石具有很高的经济价值。根据用途不同可分为宝石金刚石和工业金刚石。前者主要利用其光彩诱人色泽和极高的硬度，金刚石经人工琢磨成各种多面体后就成为“钻石”，钻石至今仍然是最紧俏、最名贵的宝石，质优粒大者价格更为昂贵，如大于1g的优质钻石价格可达5000美元/克拉以上。后者主要利用其各种特性，如利用I型金刚石的高硬度制作仪表轴承、玻璃刀、表镶钻头；用Ⅱb型金刚石制作固体微波器及激光器件的散热片；利用其优良的红外线穿透性制造卫星窗口和高功率激光器的红外窗口；利用其半导体性能制作整流器、三极管等等。随着科学技术的迅速发展，金刚石的用途越来越广泛。
