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化学小论文
——金刚石的晶体结构与晶体生长及人工合成等综述
作者：赵泽银；学院：机电学院；专业：机械设计制造及其自动化；学号：1140810620；手机号：***；邮箱：zhaozeyin@163.com
摘要:主要介绍有关金刚石的知识，分析原子晶体的性质及对金刚石这种原子晶体的性质，晶体结构，人工合成等作详细阐述。同时介绍人类对金刚石的认识，利用以及研究的历史。
关键字:原子晶体，金刚石的人工合成，金刚石晶体结构，金刚石晶体的生长。
一，原子晶体
晶体是由在空间排列得很有规律的微粒所组成的,是具有晶格结构的固体。化学中通常按照晶格中的结构微粒种类和键的性质将晶体划分成离子晶体，分子晶体，原子晶体及金属晶体。金刚石是原子晶体中的一种。
原子晶体的晶格节点上排列着原子，原子间通过共价键结合。由于共价键有方向性和饱和性，所以原子晶体配位数一般比较小。在原子晶体中没有独立存在的原子或分子，原子晶体的化学式代表的是晶体中各种元素原子数的比例，而不是代表一个分子的组成。因为共价键的结合力很强，所以原子晶体一般都有很高的熔点和很大的硬度（比如自然界中硬度最高的物质金刚石就是原子晶体中的一种，同时，金刚石也有高达3550摄氏度的熔点）。原子晶体延展性很小，有脆性，熔融态都不易导电，原子晶体在一般溶剂中都不溶。
常见的原子晶体有金刚石，SiC，SiO2，GaAs等，由于原子晶体的高熔点高硬度，在工业上常被选为磨料和耐火材料（如Al2O3常用作耐火材料），也有一些原子晶体可以作为优良的半导体材料（如Si，Ge，Ga等）。金刚石由于其在自然界中的含量少，且晶莹剔透，因此是一种名贵的宝石，由于金刚石的硬度很大，生产中常用人造金刚石来裁玻璃。原子晶体广泛的被运用于生产生活中。
二，人类对金刚石的认识史简述
17世纪开始，人们就把金刚石当宝物收藏。18世纪，罗蒙诺索夫测量金刚石晶体角，从而发现了晶体学的基本定律——某物质的晶体及其相应的夹角是永恒的。关于金刚石的组成成分，人们是在18世纪末弄清楚的，英国化学家藤南特将金刚石放在充满氧气的金质箱中燃烧并鉴定燃烧后只获得CO2气体，从而得知金刚石是碳的单质。1913年，Bragg父子用X-衍射试测定了金刚石的晶体结构，证实通常的金刚体属于立方晶系。
纯净的金刚石是无色透明的晶体，而天然的金刚石除了无色透明的以外还有蓝，黄，棕，绿，黑等颜色。纯净的金刚石可以透过不同波长的光，这是因为使金刚石里的电子从基态跃迁到最低能量的激发态所需要的能量是5.4电子伏，远大于可见光的能量。金刚石不纯，里面参杂有氮时，电子跃迁最低能量会从5.4电子伏降到2.2电子伏左右，随着氮元素含量的升高，由于热运动引起的氮能级的宽度的差别，含氮的金刚石会吸收不同波长的光，从而呈现了绿，黄色等，氮原子继续增多，会使所有可见光都被吸收，从而使金刚石呈现黑色。有很长一段时间里，人们认为金刚石的蓝色是由于里面参杂有Al引起的，后来经过证实，金刚石的蓝色是由于里面参杂的含量极少的硼引起的。由于硼的存在，蓝色的金刚石具有导电性（硼原子的存在可以使碳的价带电子进人硼能级而在价带里留下空穴,引起空穴导电）。
三，金刚石的晶体结构
通常的天然金刚石属于立方晶系,它的空间群为Fd3m，在金刚石晶体结构中 8 个碳原子位于立方体的角顶 , 另外 6 个碳原子位于立方体面的中心。在金刚石的晶体结构中,碳原子配位数为8。另外4个碳原子分布于相间排列的4个小立方体的中心。每一碳原子周围有 4 个碳原子与其成共价键 , 所形成的配位多面体为四面体, 整个构造可视为以角顶相连接的四面体的组合。碳原子间以共价键结合, 使金刚石具有高硬度、高熔点、不导电、在很大的温度、压力范围内化学性质很稳定等特性。
金刚石晶胞的a0为0.356nm ,C—C键长为0.154nm ,碳原子间形成正四面体,C—C—C夹角为109.47°。晶胞体积为0.0453nm3,每个碳原子的平均占有空间为0.0056nm 3。
然而应当指出，在损石里发现的金刚石却是六方晶系的。两种晶体的差别不在于碳原子的杂化类型（sp3）,而在于排列方式不同引起晶体的对称性不同。
四，金刚石晶体的生长研究简述
自然界中的碳只有在3万个大气压的条件下才会结晶生长为金刚石，有时甚至要达到6万个大气压碳才会以金刚石的形式结晶出来，一般只有地底60—120km的地方才有这样的压强，而地底的岩石很少会出现在地面上，所以地面上的金刚石含量极少。地底下60—120km的地方金刚石含量比地表多的多，然而现在还没有开采这些金刚石的技术，所以现在很多国家都在研究用石墨合成金刚石，这一研究也取得了很大的进展。全世界每年人工合成的金刚石现在已经超过200亿克拉，虽然合成的量很大，但却很难合成宝石级的金刚石（单个金刚石尺寸达到10mm以上）。金刚石的合成研究仍在继续中。通用电气公司 1955 年首次用 HPH T 法合成了小颗粒金刚石晶体。研究人员用一个加热的反应室来生长金刚石,该反应室由含钴的碳化钨压砧提供压力。反应室外壁是叶腊石或NaCl/ZrO2材料，用来隔离﹑缓冲反应室与压砧之间的温度和压力，并将锰﹑铁﹑钴﹑镍等金属(合金)与石墨粉配成混合粉末 ,作为触媒溶剂放置于反应室中。在压强约为6GPa,温度为1 500° C条件下,金刚石相处于碳的热力学稳定态而石墨相处于亚稳定态。石墨在触媒溶剂中溶解度大于金刚石,而溶解度的差异促使石墨向金刚石晶体转变。最终,金刚石在混合粉末中成核﹑生长。然而,由于自发成核﹑生长条件不易控制等原因,很难利用这种方法获得大体积，高质量的金刚石晶体。1970年,Wantorf对HPHT法进行了改进,用温度梯度法制备出无色大颗粒宝石级金刚石晶体。他将压力和温度参数控制在金刚石与石墨的相平衡条件下石墨作为碳源 ,放置在充当触媒溶剂的金属浴一端 ,金刚石籽晶置于温度相对较低的另一端 ,由此在金属浴中产生温度梯度。由于石墨在溶剂中高温下的溶解度大于低温下的溶解度 ,故在反应体系中产生了碳浓度梯度。熔融态石墨稳定地扩散向另一端,并在籽晶上以金刚石形态析出生长。大约1周时间可长出超过0.2g的高质量金刚石晶体。由于石墨不断地向金刚石转化,导致体积减少从而局部压强降低,影响了石墨在金属触媒溶剂中的溶解度,改变了晶体生长条件,因此,这个实验过程很难控制。
使金刚石晶体生长还有其他很多方法，比如化学气相沉积法等。不同的合成方法使金刚石晶体生长要提供的基本条件差异很大，有的要提供高温高压，有的不需要高压，有的金刚石合成方法利用触媒溶剂使石墨向金刚石转变，有的金刚石合成方法用热丝CVD或微波等离子体CVD沉积金刚石薄膜。随着各种合成技术的不断提高，将来金刚石会走进普通家庭。
五，金刚石的人工合成方法
自从人们知道金刚石的基本元素是碳以后，就不断地尝试用碳来合成金刚石。莫瓦桑是第一个宣布制造出金刚石的人，他利用金属液滴从外部向内部迅速冷凝时产生的高压使沉积的碳以金刚石的形式析出。然而后来人们按照他的方法进行了无数次试验，证实这种方法是制不出人造金刚石的。人造金刚石的合成最早是1953年在瑞典研制成功的。
现在人造金刚石的合成方法有1，静压法；2，爆炸法；3，液中放电法；4，气相外延生长法；5，液相外延生长法；6，气-液-固相外延生长法；7，高温高压合成法；8，低温低压合成法；9，激光法。这些方法使每年金刚石的合成量达到了200亿克拉以上，然而却很难得到宝石级的金刚石。科学家们一直在完善各种合成方法或研发新的合成方法，相信在不远的将来制造出宝石级的金刚石将不再是难事。
六，结束语 人类对事物的认识是一个循序渐进的过程，就像对金刚石的认识研究一样，通过它的性质研究它的组成，利用各种物理化学方法对其组成结构进行研究，知道其组成结构后，又探索各种制取金刚石的方法，以使金刚石广泛的被运用于生产生活中。虽然经历了无数次的失败，但最终制造出了人造金刚石。人类对大自然中事物的利用就是一个认识，研究，改造的过程。随着人类的不断研究，一些原来价值连城的宝物将慢慢的走进平常家庭。
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