智慧城市網
技術文章
金剛石晶體分子結構都具有正四面體分布的型式
閱讀：207 發布時間：2023-7-4金剛石俗稱“金剛鉆"。也就是我們常說的鉆石，它是一種由純碳組成的礦物。金剛石的化學式C----N個C,金剛石是原子晶體,一塊金剛石是一個巨分子，N個C的聚合體。只能用它的元素符號加注釋來表示[C(金剛石)].金剛石是自然界中最堅硬的物質。金剛石的用途非常廣泛，例如：工藝品、工業中的切割工具。碳可以在高溫、高壓下形成金剛石。鉆石就是我們常說的金剛石 ,它是一種由純碳組成的礦物。金剛石是自然界中最堅硬的物質，因此也就具有了許多重要的工業用途，如精細研磨材料、高硬切割工具、各類鉆頭、拉絲模。還被作為很多精密儀器的部件。
鉆石的成分是碳。其碳12原子的結構特征是每個碳原子都有四個共價鍵（四個共用電子對），C原子間等間距排列，C-C鍵長為0.154nm，原子間結構牢固，組成具有四個角相等的正四面體，形成一個鉆石晶胞。同時，四個角又是其它四面體晶胞的一部分。由四面體組成的鉆石，常見有立方體、八面體、菱形十二面體晶體。
金剛石、Si、Ge等晶體的結構都是所謂金剛石型晶體結構。金剛石是碳的一種晶體，其中的碳原子之間都是以共價鍵結合起來的，故稱其為共價鍵晶體。晶體是離子、原子或分子有規律地排列所構成的一種物質，其質點在空間的分布具有周期性和對稱性。人們習慣用空間幾何圖形來抽象地表示晶體結構，即把晶體質點的中心用直線連接起來，構成一個空間網格，此即晶體點陣，質點的中心位置，稱為點陣節點。如果把待定的結構基元(離子、原子或分子)放置于不同的點陣節點上，則可形成各種各樣的晶體結構。晶體可以看成由一個節點沿三維方向按一定距離重復地出現在節點而形成的。每個方向上節點距離稱為該方向上晶體的周期。同一晶體在不同方向的周期不一定相同。從晶體結構中提取出來的以反映晶體周期性和對稱性的最小重復單元，稱為晶胞。
金剛石這種共價鍵晶體的形成與碳原子的特殊電子結構有關。碳原子的原子序數是6，其電子結構是[He]2s22p2。因為碳原子的2s和2p亞殼層狀態很接近，當附近有其他原子作用時，這兩個亞殼層電子的狀態即變得不好區分，則只能考慮主殼層——L殼層；由于L殼層共可容納8個電子，則還有4個空位，于是碳原子就很容易與其他碳原子共用電子——形成共價鍵（屬于s2p3雜化態），一個碳原子總共可以形成4個共價鍵，即可以與相鄰的4個碳原子形成共價鍵，則構成正四面體分布的結構（共價鍵之間的夾角為109o28’）；采用這種原子排列的規律即可構成金剛石結構。晶體中一個原子周圍的最近鄰的原子數目稱為配位數；金剛石晶體中碳原子的配位數為4，該數目較少，這是由于共價鍵的飽和性所決定的。
Si和Ge原子的電子結構也與碳原子的類似，其最外層的電子都是2s22p2狀態。則Si和Ge晶體的結構也與金剛石晶體類似，即都是共價鍵晶體，并且它們的原子都具有正四面體分布的型式，即構成金剛石型晶體結構。
金剛石結構（Diamond structure ）就是金剛石晶體的結構；具有這種類型的晶體結構即稱為金剛石型結構。 金剛石是碳原子的一種結晶體。其中的碳原子都以共價鍵結合，原子排列的基本規律是每一個碳原子的周圍都有4個按照正四面體分布的碳原子；這種結構可看成是由兩套面心立方Bravais格子套構而成的，套構的方式是沿著單胞 [結晶學元胞]立方體對角線的方向移動1/4距離；也可以看成是由許多（111）的原子密排面沿著[111]方向、按照ABCABCABC···規律堆積起來而構成的；每個單胞中包含有8個原子，每個原胞中包含有2個不等價的原子，是一種復式晶格。重要的半導體Si和Ge就具有金剛石型的晶體結構。 金剛石晶格的倒格子是體心立方格子。因此，Si和Ge等金剛石型晶體中電子的Brillouin區也就是體心立方格子中的W-S原胞，其形狀是切角六面體（即14面體）