金刚石结构和闪锌矿结构的异同

金刚石结构和闪锌矿结构的异同：

闪锌矿结构除去由两类不同原子占据着晶格的交替位置外，与金刚石结构是完全相同的。两种不同原子之间的化学键主要是共价键，同时又具有离子键成分即混合键。因此闪锌矿结构在半导体特性及电学、光学性质上除与金刚石结构有许多相同处外又有许多不同之处。

能带结构：1）带隙结构;

直接带隙：导带底和价带顶位于k空间同一点。

间接带隙：导带底和价带顶位于k空间不同点。

2) 导带结构

半导体材料的导带结构是比较复杂的，对材料的性能和应用有明显的影响，下面以Si、Ge、GaAs为例作简单介绍：

a)实验发现GaAs的导带底附近等能面形状为球面，Ge、Si的等能面为旋转椭球面。因此GaAs的许多性质(如电阻率、磁阻效应等)呈各向同性，可用标量表示, Ge、Si的许多性质呈各向异性。

b)如果导带极值不在k空间原点，按对称性的要求，必然存在若干个等价的能谷，人们把具有数个能谷的半导体称为多能谷半导体，如Ge和Si是典型的多能谷半导体。相反，如果导带极值在k空间原点处，只有单个极值，人们把此种半导体称为单能谷半导体，如GaAs 为单能谷半导体。

c) 多能谷半导体可用来制作压阻器件。如Si的导带底处在（100)方向，距原点约5/6处，因此它有6个对称的等价能谷，且每个等能面为旋转椭球面，电子的纵向有效质量大于横向有效质量，因而沿椭球

主轴方向的纵向迁移率小于垂直于主轴方向的横向迁移率。

当从x轴对N型硅施加压力时，导带结构发生变化，y轴和z轴上能谷的电子转移到x轴上的能谷，由于有效质量变化，使x轴方向电导率减少，因此硅是制作压阻器件的一种材料。

d) 存在多种能量极值的半导体材料，由于不同极值处导带的曲率不同，而且其曲率与该处电子的有效质量成反比，则发生转移电子效应。如GaAs的导带在位于(100)方向的极值(可称为子能谷)比位于k空间原点的极值(可称为主能谷)高约0.36 eV，而且前者电子的有效质量较大，迁移率较低，因此在强电场作用下，电子从原点极值转移到(100)方向极值处时，利用此特性GaAs可以制作转移电子器件。根据实验表明InP是制作转移器件的更好的材料。

压阻效应：即施加压力而引起电阻值变化。因此具有明显压阻效应的材料可作压力传感器

转移电子效应：导电的电子从高迁移率的能谷转移到低迁移率但有较高能量的亚能谷。

载流子浓度：对于掺杂的非简并半导体，可得导带底的电子浓度为： n = N - exp

[- (Ec-E F ) /k B T ]

价带顶的空穴浓度为： p = N + exp [- (E F -E v )

/k B T

np = N - N + exp [- (E c -E v )/k B T] = N - N + exp [- E g /k B T]

迁移率的物理含义：

令在两次碰撞之间电子作自由运动时，电场ε给电子的冲量等于该期间电子获得的动量，即可得到电子的漂移速度，所以：

即电子的漂移速度与外电场ε成正比，比例常数与驰豫时间及有效质量有关，该比例常数称为电子迁移率μ。

载流子的迁移率，即单位电场下载流子漂移的速度。它描述了外加电场对电子运动的影响程度

晶格散射的影响：

电离杂质的影响：

当同时有几种散射作用时，总的迁移率与各种迁移率关系为： 1/μ = 1/ μ1 + 1/ μ2 + 1/ μ3 + …… mv

e =-ετm e n τμ-=2

/3-∝T μ2/3T ∝μ

一般只考虑晶格振动散射和电离杂质散射。载流子迁移率与掺杂浓度有关在一定温度下，晶体中杂质较少时，电离杂质散射影响小，载流子迁移率数值平稳。掺杂浓度增加，电离杂质散射作用增强，载流子迁移率显著下降。

非平衡载流子：

在外界作用下，材料中的电子浓度和空穴浓度都是偏离平衡值的，多出来的这部分载流子叫做非平衡载流子(过剩载流子)，通常用光注入或电注入方法产生非平衡载流子。

p-n 结的特性

p-n结伏安特性指通过p-n结的电流与外加电压的关系。正向偏压下，电流随偏压指数上升，可达几十安／厘米2-几千安／厘米2；反向偏压下，电流很小，且很快趋向饱和，即反向饱和电流仅几微安／厘米2；当反向偏压升到某电压值时，反向电流急剧增大，称为击穿，其电压为击穿电压。此伏安持性具有单向导电的整流性质击穿特性是p-n结的一个重要特性，以击穿电压V B作为检测器件是否合格的重要参数，同时也利用击穿规律制作稳压二极管、微波振荡二极管等。

击穿特性是p-n结的一个重要特性，以击穿电压V B作为检测器件是否合格的重要参数，同时也利用击穿规律制作稳压二极管、微波振荡二极管等。

雪崩击穿的机理：当p-n结反向偏压很大时，势垒区内电场增强，越过势垒区的电子和空穴受到强电场作用，动能增大，若载流子在势垒区内获得的动能大到足以引起碰撞电离的程度，就可以和原子碰撞，产生新的电子-空穴对，新的电子-空穴对再从电场中获得动能，进一步产生电子-空穴对，这种连锁过程称为雪崩倍增，能够迅速增大了反向电流，导致雪崩击穿。

在p-n结上外加反向强电场时，价电子能从价带跃迁到导带，电子这种穿过禁带的过程叫隧道效应。隧道效应引起的击穿现象称为隧道击穿。

3）电容效应

在正向偏压下，随着外加电压的增加，势垒区的电场减弱，宽度变窄，空间电荷数量减少，而在反向偏压下，随着外加电压的增加，势垒区的电场加强，宽度变厚，空间电荷数量增加，类似于边界在充、放电。这种由于势垒区的空间电荷数量随外加电压的变化，所产生的电容效应，称为p-n结的势垒电容。通过减小结面积、减小高阻区的杂质浓度、加大反向电压的方法能够减小突变结势垒电容。

超晶格：将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层A和B交替叠合生长在衬底上，使在外延生长方向形成附加的晶格周期性。当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面内的运动不受影响。

超晶格能带结构来源于两种材料禁带的变化，存在内界面。

异质结：不同能隙材料形成的结，如Ⅲ-Ⅴ族，Ⅱ-Ⅵ族，Ⅳ-Ⅳ族等两种晶格结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半

导体材料长在一起形成结则称为异质结。

主要特点：能隙宽度，介电常数及电子亲和势均不同

不仅是超晶格的基本组成部份，其材料与结构的不同也为器件设计带来许多自由度及独特的性质

半导体材料中的杂质：

杂质的种类:

1) 按杂质原子在半导体材料中存在的方式，可以分为两类，一类是

单个原子，另一类是它们与其它杂质缺陷的复合体。

2) 以单个原子存在的位置又可以分为两类，一类是替代式, 另一类是间隙式。

3) 按杂质原子对半导体材料电学性质的影响, 又可以分为五类：受主杂质、施主杂质、两性杂质、中性杂质和深能级杂质。

杂质对半导体材料电学性能的影响

1.杂质对半导体材料导电类型的影响

2.杂质对半导体材料电阻率的影响

3.杂质对非平衡载流子寿命的影响。半导体中深能级杂质，对材

料的平衡态电学性能影响较小，对非平衡态的电学性能影响较

大，在禁带中有多重能级，对电子和空穴的复合起中间站作用，称为复合中心或陷阱中心，大大缩短了非平衡载流子的寿命，

因此一般在制备材料时要严防重金属污染，它们对光电器件特

别有害。而对一些特殊器件还可以人为注入微量重金属来降低

非平衡载流子寿命。

超导材料

超导材料的临界参数的定义和意义：

A)临界温度: 电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度

Tc。超导临界温度与样品纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降越尖锐。

B)临界磁场: 超导电性可以被外加磁场所破坏, 对于温度为T (T

破坏了，Hc (T)称为临界磁场。在临界温度Tc，临界磁场为零。Hc(T)随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关

系:

其中H c0是绝对零度时的临界磁场。

) 临界电流: 在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性, 导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。在临界温度Tc，临界电流为0。

临界电流随温度变化的关系有：

其中I c0是绝对零度时的临界电流。

三个唯象理论：

二流体模型;早期为了解释超导体的热力学性质，1934年戈特和卡西米尔提出超导电性的二流体模型，它包含以下三个假设：

(1) 金属处于超导态时，自由电子分为两部分：一部分叫正常电子，另一部分叫超流电子, 正常电子在晶格中有阻地流动，超流电子在晶格中无阻地流动，两部分电子占据同一体积，在空间上相互渗透，彼此独立地运动，两种电子相对的数目是温度的函数。

(2) 正常电子的性质与正常金属自由电子气体相同，受到振动晶格的散射而产生电阻，对熵有贡献。

(3) 超流电子处在一种凝聚状态，即某一低能态，所以超导态是比正

常态更加有序的状态。超导态的电子不受晶格散射，所以超流电子对熵没有贡献。

从这个模型出发可以解释许多超导实验现象，如超导转变时电子比热的“λ”型跃变等。伦敦正是在这个模型的基础上建立了超导体的电磁理论。

Ginzberg-Landau理论考虑到超导电子密度（ns）不仅是T的函数，而且是空间位置r和磁场B的函数，从而可以解释更多的实验现象。

Ginzberg-Landau理论给出了决定ns(r)的方程，这使得Ginzberg-Landau理论比伦敦理论更进一步。

唯象的Ginzberg-Landau方程和微观的薛定谔方程形式上一样，预示了超导体具有类似微观现象中的量子化现象，即，宏观量

子现象。磁通量量子化就是宏观量子现象中的一个重要例子。

Ginzberg-Landau理论建立在相变点附近，它的结论定性上适用于更低的温度，但定量上是不能用于比Tc低很多的温度。

Ginzberg-Landau理论是不含时间的，只能处理有序度参量不随时间改变的现象。

BCS 理论的建立基础：同位素效应、超导能隙和库帕电子对转变温度Tc依赖于同位素质量M的现象就是同位素效应,同位素效应指出：电子-声子的相互作用与超导电性有密切关系。

材料处于超导态时，在费米能附近出现了一个半宽度为?的能量间隔，在这个能量内没有电子态，?叫做超导能隙（~ 10-3-10-4eV）。

超导能隙的出现反映了电子结构在从正常态向超导态转变过程中发生了深刻变化。这种变化就是伦敦指出的“电子平均动量分布的固化或凝聚”。

电子形成费米球的分布。在超导态时，在费米球内部的电子仍与正常态中的一样。但在费米面附近的电子，在交换虚声子所引起的吸引力作用下，按相反的动量和自旋两两地结合成电子对，这种电子对被称为库帕对。

BCS理论预测临界温度：U是电子-声子相互作用能

第II类超导体根据是否存在磁通钉扎中心而分为：

理想第II类超导体

非理想第II类超导体

理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。

非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度，适合于实际应用。

单粒子隧道效应

金属-绝缘体-金属(MIM)结：考虑被绝缘体隔开的两个金属，绝缘体通常对于从一种金属流向另一种金属的传导电子起阻挡层的作用。如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的几率穿越绝缘层。当两个金属都处于正常态，隧道结的电流正比于电压。

正常金属-绝缘体-超导体(NIS)结：Giaever发现如果金属中的一个变为超导体时，电流-电压的特性曲线发生变化，可以用超导能隙来解释正常金属-绝缘体-超导体(NIS)结。

约瑟夫森(Josephson)效应

电子对能够以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下，将产生直流超导电流。而在势垒两边有一定电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。

磁性材料

抗磁性(diamagnetism)当物质受到外加磁场的作用时，如果产生与外磁场方向相反的磁化，即磁化率为负值，则称此种性质为抗磁性。顺磁性(paramagnetism) 顺磁性是指材料在外磁场的作用下表现出

与外磁场方向相同但数值很小的磁化率。

铁磁、亚铁磁材料的单畴微粒呈现出的顺磁性。当这些微粒的体积减少到一定程度时，微粒的热运动能将超过难磁化和易磁化之间的磁晶各向异性能的位垒，于是微粒的磁矩就不再固定在易磁化方向，而是随时间作无规则的变化，而微粒的表观磁化强度就变为零。在外磁场作用下，这些微粒倾向于沿外磁场方向排列，从而呈现出顺磁性，这种顺磁性叫做超顺磁性。

铁磁性(ferromagnetism)

低于居里温度时，这些材料在磁场中显示出强磁性，磁化强度可达105A/m, 其磁化曲线呈复杂的形式。

原因：这些物质的内部存在着一种强的相互作用，使邻近原子的磁矩近似地排在同一方向，形成了自发磁化。

由物质内部的交换作用引起的磁矩有序排列，称为自发磁化。

由外加磁场引起的磁矩有序排列，称为技术磁化。

铁磁性的基本特点是在外磁场中的磁化过程的不可逆性。

铁磁性成因

最早对铁磁性的成因进行解释的是Weiss, 他在1907年提出了两个假设, 都得到了实验证明：

1、分子场假设在铁磁体的内部存在着强大的分子场(约103 T)，即使不加外磁场，其内部也产生自发磁化。（1928年，Heisenberg用量子理论证明了：所谓的分子场，实际是电子自旋之间的交换作用，是电子遵循Pauli原理的必然结果。）

2. 磁畴假说铁磁内部的自发磁化被分为若干称为磁畴的区域，在每一区域内自发磁化到饱和，但各个区域的磁化强度方向是混乱的，因而当不加磁场时，不表现出宏观磁性

对于E ex = -2Aσiσj cosφ的讨论

当A＞0时，为使交换能最小，相邻原子3d电子的自旋磁矩夹角为零，即彼此同向平行排列，称为铁磁性耦合，即自发磁化，出现铁磁性磁有序。

当A＜0时，为使交换能最小，相邻原子3d电子自旋磁矩夹角为180度，即相邻原子3d电子自旋磁矩反向平行排列，称为反铁磁性磁有序。

当A = 0 时，相邻原子3d电子自旋磁矩彼此不存在交换作用或者说交换作用十分微弱。在这种情况，由于热运动的影响，原子自旋磁矩混乱取向，变成磁无序，这是顺磁性。

3d 金属中的自发磁化

3d 金属（如铁、钴、镍），当3d电子云重叠时，相邻原子的3d电子

存在交换作用，它们每秒钟以108的频率交换位置。其交换作用能E ex 与两个电子自旋磁矩的取向有关，表示为：E ex = -2Aσiσj cosφ,

其中σ为电子自旋角动量，φ是相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角，A为交换积分常数。

在平衡态，相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角应遵循能量最小原理。4f 金属（稀土金属）中的自发磁化

部分稀土元素在低温下呈现出铁磁性。

原因：（非直接交换作用）

稀土金属中对磁性有贡献的是4f 电子，其半径仅约0.06-0.08 nm。相邻的电子云不可能重叠，外层还有5s和5p电子层对4f电子起屏蔽作用，它们不可能象3d金属那样存在直接交换作用。Ruderman、Kittel、Kasuya、Yosida等人先后提出,并逐渐完善了间接交换作用理论，称为RKKY理论。这一理论可以很好地解释稀土金属和稀土与金属间化合物的自发磁化。

RKKY理论的中心思想是，在稀土金属中f电子是局域化的，6s电子是巡游电子，f电子和s电子先发生交换作用，使6s电子极化。而极化了的6s电子自旋使4f电子自旋与相邻原子的4f电子自旋间接地耦合起来，从而产生自发磁化，并使稀土金属原子磁矩排列出现多种螺磁性。

永磁材料——硬磁材料，是指施加外磁场磁化以后能长期保留其磁性的材料。

“硬”：长期保留磁性的能力高

软磁材料：矫顽力低、磁导率高的磁性材料

磁致电阻效应是指在一定磁场下电阻改变的现象。磁性金属和合金一般都有磁电阻现象。

巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。

磁致冷：

1）是给材料加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列（能量低）

2）撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱（能量高）

3）过程2）材料从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。

单自旋金属材料的特性在于自旋向上与自旋向下的电子具有不同的导电特性。只有自旋向上的电子能带是部分填满的，而自旋向下的电子能带则完全填满，并且与更高的能带间存在一个能隙(bandgap).

自旋阀结构于1991年由计算机业巨擘IBM提出后，引起广范的研究与讨论。

典型的自旋阀结构主要是由二铁磁层中间夹入非铁磁层之三明治结构所构成，

光纤原理和基本结构：

光纤中光的传送就是利用光的全反射原理。这时，光将在光纤的芯子中沿锯齿状路径曲折前进，不会穿出包层，完全避免了光在传输过程中的折射损耗。

基本结构:

光纤由纤芯、包层和护层组成。

光纤的材料：

高二氧化硅玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤。纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。包层可以是单层或多层结构，总直径控制在100～200μm范围内。包层材料一般为SiO2，有的掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅目的是为了降低其对光的折射率。

光纤的应用：

光纤图像传感器：靠光纤束来实现图像传输的。光纤束由光纤按阵列排列而成，一束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm的光纤组成，每条光纤传送一个像素信息。用传像束可以对图像进行传递、分解、合成和修正。

光纤通信：能同时传送100亿路电话和1千万套电视节目。它比普通金属导线传输线路的容量高出10亿倍。同轴电缆通信，每1.5km 就要设一个中继站，而目前光纤通信的中继站距离已超过10km，而且光缆具有抗电磁波干扰的本领，所以通信质量高，保密性好。

工业用内窥镜：需要检查某些大型机器的内部结构，但这些系统不能打开或靠近观察，可将探头事先放入系统内部，通过光纤传像束的传输可以在系统外部观察。该传感器主要由物镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上，再由物镜对待观测物体成像，经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上，观察者便可对该图像进行分析处理。

医用内窥镜：由末端的物镜、传像束、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光通过传像束外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病的重要仪器。光子晶体：光子晶体是一种人工晶体，它是由介电材料的周期排列而构成的，适合用于小体积的集成块在光子晶体中，介电常数在空间上的周期性将会形成光子带隙结构，出现“光子禁带”。“光子禁带”是指一定的频率范围，该范围内的电磁波不能在结构中任何方向的传播。光子禁带是光子晶体最重要的特征。

激光材料中的基质和激活剂

工作物质的各种物理化学性质主要由基质材料所决定；工作物质的光谱性质主要由激活离子所决定。

激活离子：又称激活剂，决定工作物质的光谱特性。固体激光工作物质中使用的激活剂有过渡金属离子、稀土金属离子和锕系离子三类。

基质材料：简单氟化物晶体、复合氟化物晶体、简单氧化物晶体、

复合氧化物晶体和其他晶体五类。

（简单氧化物晶体：使用最早、数量最多、应用最广，其中具有实用价值的有红宝石、掺钕钇铝榴石、掺钕铝酸钇、掺铬铝酸铍等。它们具有很好的物理化学性能，都能在室温下实现激光振荡）

红外材料：红外透镜、红外窗口、红外棱镜、红外滤光片、红外头罩，等等，真正具有实用价值的红外光学材料并不多。

1）红外光学晶体：碱卤化合物晶体、碱土-卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体以及半导体晶体，其中经常使用的约有二

三十种。

2）红外光学玻璃：各向同性、价格低、且易制成较大尺寸的均匀的红外透射元件，是目前最常用的一种红外光学材料。红外光

学玻璃按其基本组成，可分为氧化物玻璃、硫系玻璃、重金属

氟化物玻璃等。

3）红外塑料：价格低廉、不溶于水、耐酸碱腐蚀

有机玻璃：透可见光与近红外，用作保护膜、窗口

聚乙烯：在远红外有很高的透过率，是一种很有希望的远红外

光学材料

高密度聚丙烯塑料：在中红外波段有一定的透过率且质里比较

坚硬，可用作窗口，既能保持系统真空，也能在系统充气时承

受较大压力而不变形

聚四氟乙烯：在远红外波段有很高的透过率，在材料很薄时，在近红外和中红外也有相当好的透过率，广泛地用作保护膜材料和远

红外光学材料

聚烯烃塑料：机械强度、硬度、耐腐蚀性、抗热冲击性都比较好，是一种有前途的远红外光学材料，用作窗口和透镜

（红外线按波长可分为三个光谱区：

近红外：0.7-15μm

中红外: 15-50 μm

远红外：50-1000μm ）

功能转化材料

压电效应：

某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”：机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”：电能转变为机械能。具有压电效应的物质称为压电材料。根据几何结晶学，在32种点群中，只有20种不具有对称中心的晶族，有可能具有压电性。

压电材料：压电晶体（α-石英）绝大多数人工水晶是右旋晶体。应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆钛酸铅系(PZT)陶瓷。

热释电效应：热释电晶体是压电晶体中的一种，具有非中心对称的晶体结构。自然状态下，在某个轴向方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自发极化，该轴称为极

化轴。

温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷，而观察不到它的自发极化现象。温度变化时，引起晶体的正负电荷中心发生位移，晶体表面的极化电荷则随之变化，而吸附电荷却跟不上它的变化，即显现出晶体的自发极化现象。这一过程的平均作用时间为τ＝ε/σ，ε为介电系数，σ为电导率。

晶体中存在热释电效应的前题是具有自发极化，即在晶体结构的某些方向存在固有电矩。

热释电材料：电气石、钛酸铅(PbTiO3

声光效应：

1）超声波(弹性波)使介质的折射率周期性地变化，形成折射率光栅，光栅常数即为超声波的波长，

2）光通过形成超声光栅的介质时将会产生折射和衍射，产生声光交互作用。

（由应力造成折射率变化是弹光效应。）

声光材料：

大多数声光器件为可见光波段的器件，所用晶体主要是氧化物晶体，其中最重要的是钼酸铅(PbMoO4)和二氧化碲(TeO2)等晶体。

热电效应：赛贝克（Seebeck）效应

两种不同金属的连线，若将连线的一结点置于高温状态T2（热端），而另一端处于开路且处于低温状态T1冷端，则在冷端存在开路电压ΔV，此种现象被称为塞贝尔效应，Seebeck电压ΔV与热冷

金刚石性能介绍

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 金刚石性能介绍 金刚石在自然界材料中具有特别优异的机械性能、热学性能、透光性、纵 波声速、半导体性能及化学惰性，是一种全方位的不可替代的特殊多功能材 料。用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition 简称CVD)方法生长的金刚石膜具有与颗粒状天然金刚石和高压人造金刚石几乎完全相同的性能，但却克服 了小颗粒状天然金刚石和高压人造金刚石尺寸大小的限制。材料学家一致认为 只有这种连续性大尺寸块状材料，才能使得金刚石全部优异性能得到充分的发挥。金刚石膜的优异性能主要表现在以下几个方面： 1.机械性能：金刚石在已知材料中硬度最高(维氏硬度可达10,400kg/mm2 本站注：约合102GPa)、耐磨性最好且摩擦系数极低。CVD 金刚石膜中不含任何粘结剂，其多晶结构又使其在各个方向具有几乎相同的硬度，且没有解理面，因此其综合机械性能兼具 单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点，而在一定程度上又克服了它们的不 足，而且价格低廉。它不仅可代替天然金刚石、高压人造单晶金刚石和聚晶金 刚石在机械领域应用而且大大拓宽了其应用范围：如制造各种适合拉制软硬丝 的高性能拉丝模具；焊接型CVD 金刚石工具(使用寿命超过PCD 工具的1-3 倍)；制作形状较为复杂的CVD 金刚石涂层硬质合金刀具(使用寿命比涂层前提高10-50 倍)；其低摩擦系数还可用于摩擦部件如轴承的耐磨涂层等。据国外专家统计，仅应用于超硬材料方面就可以开发、改造出二千多种新产品。 2.声学性能：金刚石在所有材料中的传声速度最快，为18.2km/s。利用此性能不仅能制作频率响应超过5GHz 的声表面波器件(这种最高频响声表面波器件在通信领域的应用极其广泛)而且还可制作频响达60kHz 以上的超高保真扬声器及性 能最优异的声传感器。 3.热学性能：天然金刚石热导率达20W/cm.K, 为所有物质中最高者, 比SiC 大4 倍, 比Si 大13 倍, 比GaAs 大43 倍, 是Cu 和Ag

几种常见晶体结构分析

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几种常见晶体结构分析 河北省宣化县第一中学 栾春武 邮编 075131 栾春武：中学高级教师，张家口市中级职称评委会委员。河北省化学学会会员。市骨干教师、市优秀班主任、模范教师、优秀共产党员、劳动模范、县十佳班主任。 联系电话： E-mail ： 一、氯化钠、氯化铯晶体——离子晶体 由于离子键无饱和性与方向性，所以离子晶体中无单个分子存在。阴阳离子在晶体中按一定的规则排列，使整个晶体不显电性且能量最低。离子的配位数分析如下： 离子数目的计算：在每一个结构单元（晶胞）中，处于不同位置的微粒在该单元中所占的份额也有所不同，一般的规律是：顶点上的微粒属于该 单元中所占的份额为18，棱上的微粒属于该单元中所占的份额为1 4，面上 的微粒属于该单元中所占的份额为1 2，中心位置上（嚷里边）的微粒才完 全属于该单元，即所占的份额为1。 1.氯化钠晶体中每个Na +周围有6个Cl －，每个Cl －周围有6个Na +，与一个Na +距离最近且相等的Cl －围成的空间构型为正八面体。每个Na +周围与其最近且距离相等的Na +有12个。见图1。 图1 图2 NaCl

晶胞中平均Cl－个数：8×1 8 + 6× 1 2 ＝ 4；晶胞中平均Na+个数：1 + 12×1 4 ＝ 4 因此NaCl的一个晶胞中含有4个NaCl（4个Na+和4个Cl－）。 2.氯化铯晶体中每个Cs+周围有8个Cl－，每个Cl－周围有8个Cs+，与一个Cs+距离最近且相等的Cs+有6个。 晶胞中平均Cs+个数：1；晶胞中平均Cl－个数：8×1 8 ＝ 1。 因此CsCl的一个晶胞中含有1个CsCl（1个Cs+和1个Cl－）。 二、金刚石、二氧化硅——原子晶体 1.金刚石是一种正四面体的空间网状结构。每个C 原子以共价键与4个C原子紧邻，因而整个晶体中无单 个分子存在。由共价键构成的最小环结构中有6个碳原 子，不在同一个平面上，每个C原子被12个六元环共用，每C—C键共6 个环，因此六元环中的平均C原子数为6× 1 12 ＝ 1 2 ，平均C—C键数为 6×1 6 ＝ 1。 C原子数: C—C键键数＝ 1:2； C原子数: 六元环数＝ 1:2。 2.二氧化硅晶体结构与金刚石相似，C被Si代替，C与C之间插 氧，即为SiO 2晶体，则SiO 2 晶体中最小环为12环（6个Si，6个O）， 图3 CsCl 晶 图4 金刚石晶

较石墨和金刚石的晶体结构

较石墨和金刚石的晶体结构、结合键和性能。 答：金刚石晶体结构为带四面体间隙的FCC，碳原子位于FCC点阵的结合点和四个不 相邻的四面体间隙位置，碳原子之间都由共价键结合，因此金刚石硬度高，结构致密。石墨晶体结构为简单六方点阵，碳原子位于点阵结点上，同层之间由共价键结合，邻层之间由范德华力结合，因此石墨组织稀松，有一定的导电性，常用作润滑剂。 1. 单晶体：如果一个物体就是一个完整的晶体，这样的晶体~单晶体． 水晶、雪花、食盐小颗粒、单晶硅、晶须 2 多晶体：如果整个物体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体组成的，这样的物体~多晶体，其中的小晶体叫做晶粒，其边界称为晶界，多晶体有一定的熔点。各向同性 金属及合金等. 3 非晶体：没有规则的几何形状，原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。常见的非晶体有：玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等． 扩散定理 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的物质量（扩散通量）与该物质在该面积处的浓度梯度成正比。 为扩散通量，表示扩散物质通过单位截面的流量，dC/dx为沿x方向的浓度梯度；D为原子的扩散系数。负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。 层错能 金属结构在堆垛时，没有严格的按照堆垛顺序，形成堆垛层错。层错是一种晶格缺陷，它破坏了晶体的周期完整性，引起能量升高，通常把单位面积层错所增加的能量称为层错能。 层错能出现时仅表现在改变了原子的次近邻关系，几乎不产生点阵畸变。所以，层错能相对于晶界能而言是比较小的。层错能越小的金属，则层错出现的几率越大。

在层错能较高的金属如铝及铝合金、纯铁、铁素体钢（bcc）等热加工时，易发生动态回复，因为这些金属中易发生位错的交滑移及攀移。而奥氏体钢(fcc)、镁及其合金等由于层错能低，不发生位错的交滑移，所以动态再结晶成为动态软化的主要方式。 面心立方的密排面 晶体中原子的堆垛方面心立方晶格的金属: 铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ- 铁( γ-Fe, 912℃～1394℃) 式n面心立方：密排面为{111} A BCABCABC…… 点阵常数与原子半径R的关系 晶胞棱边的长度称为点阵常数或晶格常数。对立方晶系，a=b=c,点阵常数用a表示即可； 对六方晶系，a1=a2=a3?c,需要用a和c两个点阵常数来表示晶胞的大小。 1．面心立方： –最密排方向<110> –即面对角线方向原子半径为

金刚石的成因研究(报告)

金刚石的成因研究 一、金刚石的基本特征 1．化学成分 除碳外，还经常含硅、铝、钙、镁、锰、铬、铁、氮和硼等杂质元素。除氮和硼外，其它杂质元素多以包裹体的形式存在，如磁铁矿、镁铝榴石、铬透辉石、绿泥石、黑云母、橄榄石以及石墨等。宝石级金刚石含杂质很少，研究证明主要杂质元素是氮和硼，并因此可划分出不同的类型，含氮者称Ⅰ型，其中若氮聚集成片晶，为Ⅰa型，若氮少且成分散状，则为Ⅰb型；不含氮者为Ⅱ型，其中含硼者为Ⅱb型，不含硼者为Ⅱa型。 2．物理性质[1] 金刚石纯净的为无色透明，常见的有含石墨包体的呈黑色，含铬的呈天蓝色，含铝或氮的呈黄色，此外还有较常见的褐色、烟灰色及少到罕见的乳白色、浅绿色、玫瑰色、红色、紫色、蓝色等金刚石。 金刚石的硬度是物质中最坚硬的，它的硬度是矿物硬度中最高的，为10（莫斯硬度）。严格的测量矿物硬度的大小是用绝对硬度—显微硬度计，金刚石的显微硬度为8000-10000kg/mm2，是刚玉的3-4倍，是石英的8倍。 金刚石的比重为3.47~3.56，抗磨性好，熔点高，约为4000℃，化学性质稳定，绝缘性好，耐酸、耐碱。具发光性，日光曝晒后或强光照射后，夜间在暗室中发出淡青蓝色磷光，在紫外线照射下发绿色、天蓝色或紫色萤光或不发光，不同地区的金刚石所发光色不同。并且钻石的热导率是所有矿物中最高的。 3．晶体特征 金刚石的晶体结构具立方面心晶胞。碳原子除位于立方体晶胞的角顶及面中心外，把此立方体晶胞划分成八个小立方体，则在相间排列的小立方体中心还存在着碳原子。 图表 1 金刚石的晶体结构 每一碳原子周围有四个碳原子围绕，形成四面体配位，整个构造可视为以角顶连接的四面体组合图一。碳原子间以共价键连结，致使金刚石具有高硬度、高熔点、不导电、化学性质稳定以及很强的抗酸性和抗碱性等特征。 金刚石晶体为立方晶系其结晶习性最常见是八面体，此外，还有立方体、菱形十二面体以及变立方体等。也有呈磨圆的或呈扁平的，双晶常见。

晶体结构的分析与计算训练题

晶体结构的分析与计算训练题 1．(2015·全国卷Ⅰ)碳有多种同素异形体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示： (1)在石墨烯晶体中，每个C 原子连接________个六元环，每个六元环占有________个C 原子。 (2)在金刚石晶体中，C 原子所连接的最小环也为六元环，每个C 原子连接______个六元环，六元环中最多有______个C 原子在同一平面。 解析：(1)由石墨烯的结构可知，每个C 原子连接3个六元环，每个六元环占有的C 原子数为1 3 ×6＝2。 (2)由金刚石的结构可知，每个C 可参与形成4条C —C 键，其中任意两条边(共价键)可以构成2个六元环。根据组合知识可知四条边(共价键)任选其中两条有6组，6×2＝12。因此每个C 原子连接12个六元环。六元环中C 原子采取sp 3 杂化，为空间六边形结构，最多有4个C 原子位于同一平面。 答案：(1)3 2 (2)12 4 2.(2016·全国卷Ⅱ)某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。 (1)晶胞中铜原子与镍原子的数量比为________。 (2)若合金的密度为d g·cm －3 ，晶胞参数a ＝________nm 。 解析：(1)由晶胞结构图可知，Ni 原子处于立方晶胞的顶点，Cu 原子处于立方晶胞的面心，根据均摊法，每个晶胞中含有Cu 原子的个数为6×12＝3，含有Ni 原子的个数为8×1 8＝ 1，故晶胞中Cu 原子与Ni 原子的数量比为3∶1。 (2)根据m ＝ρV 可得， 1 mol 晶胞的质量为(64×3＋59)g ＝a 3 ×d g·cm －3 ×N A ，则a ＝? ????2516.02×1023×d 1 3 cm ＝? ?? ??2516.02×1023×d 1 3×107 nm 。 答案：(1)3∶1 (2)? ?? ? ?2516.02×1023×d 1 3×107 3．(2017·全国卷Ⅰ)(1)KIO 3晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立方结构，边长为a ＝0.446 nm ，晶胞中K 、I 、O 分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示。K 与O 间的最短距离为______

金刚石(Diamond)

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 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Z-5)中C 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 C(图Z-5(a))。金刚石结构中的C 以共价键与周围的另外4 个C 相连,键角 109°28′16″，形成四面体配位(图Z-5(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Z-5 金刚石的晶体结构 (引自潘兆橹等，1993)

高中化学选修三选修3物质结构与性质第三章第3章常见晶体结构晶胞分析归纳整理总结

1 1． 金刚石晶体结构（硅单质相同） 1mol 金刚石中含有 mol C —C 键， 最小环是 元环，（是、否） 共平面。 每个C-C 键被___个六元环共有，每个C 被_____ 个六元环共有。每个六元环实际拥有的碳原子数为 ______个。C-C 键夹角：_______。C 原子的杂化方式是______ SiO 2晶体中，每个Si 原子与 个O 原子以共价键相结合， 每个O 原子与 个Si 原子以共价键相结合，晶体中Si 原子与 O 原子个数比为 。 晶体中Si 原子与Si —O 键数目之比 为 。最小环由 个原子构成，即有 个O ， 个Si ，含有 个Si-O 键，每个Si 原子被 个十二元环，每 个O 被 个十二元环共有，每个Si-O 键被__个十二元环共 有；所以每个十二元环实际拥有的Si 原子数为_____个，O 原子数为____个，Si-O 键为____个。硅原子的杂化方式是______,氧原子的杂化方式是_________. 2 ． 在NaCl 晶体中，与每个Na +等距离且最近的Cl -有 个， 这些Cl -围成的几何构型是 ;与每个Na +等距离且最近的 Na +有 个。由均摊法可知该晶胞中实际拥有的Na +数为____个 Cl -数为______个，则次晶胞中含有_______个NaCl 结构单元。 3. CaF 2型晶胞中，含:___个Ca 2+和____个F - Ca 2+的配位数： F -的配位数： Ca 2+周围有______个距离最近且相等的Ca 2+ F - 周围有_______个距离最近且相等的F ——。

2 4．如图为干冰晶胞（面心立方堆积），CO 2分子在晶胞 中的位置为 ；每个晶胞含二氧化碳分子的 个数为 ；与每个二氧化碳分子等距离且最 近的二氧化碳分子有 个。 5．如图为石墨晶体结构示意图， 每层内C 原子以 键与周围的 个C 原子结合，层间作用力为 ； 层内最小环有 _____个C 原子组成；每个C 原子被 个最小环所共用；每个 最小环含有 个C 原子， 个C —C 键；所以C 原子数和C-C 键数之比是_________。C 原子的杂化方式 是__________. 6. 冰晶体结构示意如图 ，冰晶体中位于中心的一个水分子 周围有______个位于四面体顶角方向的水分子,每个水分子通过 ______条氢键与四面体顶点上的水分子相连。每个氢键被_____个 水分子共有，所以平均每个水分子有______条氢键。 7. 金属的简单立方堆积是_________层通过_________对 _________堆积方式形成的，晶胞如图所示：每个金属阳离子的 配位数是_____，代表物质是________________________。 8. 金属的体心立方堆积是__________层通过 ________对________堆积方式形成的，晶胞如图： 每个阳离子的配位数是__________.代表物质是 _____________________ 。

较石墨和金刚石的晶体结构

较石墨和金刚石的晶体 结构 Revised as of 23 November 2020

较石墨和金刚石的晶体结构、结合键和性能。 答：金刚石晶体结构为带四面体间隙的FCC，碳原子位于FCC点阵的结合点和四个不 相邻的四面体间隙位置，碳原子之间都由共价键结合，因此金刚石硬度高，结构致密。石墨晶体结构为简单六方点阵，碳原子位于点阵结点上，同层之间由共价键结合，邻层之间由范德华力结合，因此石墨组织稀松，有一定的导电性，常用作润滑剂。 1. 单晶体：如果一个物体就是一个完整的晶体，这样的晶体~单晶体． 水晶、雪花、食盐小颗粒、单晶硅、晶须 2 多晶体：如果整个物体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体组成的，这样的物体~多晶体，其中的小晶体叫做晶粒，其边界称为晶界，多晶体有一定的熔点。各向同性 金属及合金等. 3 非晶体：没有规则的几何形状，原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。 常见的非晶体有：玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等． 扩散定理 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的物质量（扩散通量）与该物质在该面积处的浓度梯度成正比。

为扩散通量，表示扩散物质通过单位截面的流量，dC/dx为沿x方向的浓度梯度；D为原子的扩散系数。负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。 层错能 金属结构在堆垛时，没有严格的按照堆垛顺序，形成堆垛层错。层错是一种晶格缺陷，它破坏了晶体的周期完整性，引起能量升高，通常把单位面积层错所增加的能量称为层错能。 层错能出现时仅表现在改变了原子的次近邻关系，几乎不产生点阵畸变。所以，层错能相对于晶界能而言是比较小的。层错能越小的金属，则层错出现的几率越大。 在层错能较高的金属如铝及铝合金、纯铁、铁素体钢（bcc）等热加工时，易发生动态回复，因为这些金属中易发生位错的交滑移及攀移。而奥氏体钢(fcc)、镁及其合金等由于层错能低，不发生位错的交滑移，所以动态再结晶成为动态软化的主要方式。 面心立方的密排面 晶体中原子的堆垛方面心立方晶格的金属: 铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ- 铁( γ-Fe, 912℃～1394℃)

金刚石材料的功能特性研究与应用

陶瓷专题 金刚石材料的功能特性研究与应用 高 凯,李志宏 (天津大学材料科学与工程学院,天津 300072) Study and Application on Functional Properties of Diamond Materials GAO Kai,LI Zhi hong (S chool of M ater ial S cience and Engineer ing,T ianj in Univer sity,T ianj in300072,China) Abstract:Functional properties of diamo nd mater ials and its study and application recent years on w ide bandg ap semiconducto rs,ultraviolet detectors,sing le pho to n source for quantum computer,so nic surface diffusion and electronic encapsulatio n w ere reviewed in this paper,and other po tential application on func tional proper ties of the diamond materials w ere expected. Key words:Diamo nd,Functional proper ty,Study,Application 摘要:本文综述了金刚石的功能特性及其近年来在宽禁带半导体、紫外探测器、量子计算机用单光子源、声波材料和电子封装等方面的研究与应用进展,并对金刚石材料在其它功能特性方面的开发与应用前景提出了展望。 关键词:金刚石;功能特性;研究;应用 中图分类号:TB33 文献标识码:A 文章编号:1002-8935(2010)04-0009-05 金刚石是目前工业化生产的最硬材料,其前通常利用其硬度特性广泛地作为加工、研磨材料。但它除了具有高硬度之外,其许多优异特性被逐渐发现和挖掘,如室温下高热导率、极低的热膨胀系数、低的摩擦系数、良好的化学稳定性、大的禁带宽度(5 5eV)、高的声传播速度、掺杂诱导的半导体特性以及高的光学透过率,使其在机械加工、微电子器件、光学窗口及表面涂层等许多领域有着广阔的应用前景。因此,金刚石材料的功能特性研究与应用引起了人们极大的兴趣,并在很多领域取得了突破和进展。 1 在宽禁带半导体方面的研究与应用 金刚石作为一种宽禁带半导体,在光电子学中的应用前景无疑是最引人注目的。但是由于n型金刚石半导体掺杂存在着一定的困难,使制备同质结的困难加大,目前领先的依然是麻省理工学院有关于金刚石薄膜p n结的研究[1],2001年麻省理工学院的Koizumi等第一次制备了金刚石薄膜p n结,在金刚石单晶的(111)面上以同质外延生长的方法制备了两层金刚石薄膜,p型半导体使用B元素掺杂金刚石薄膜而成,n型半导体则以P元素掺杂制备,然后他们对这个装置进行了改进,在施加20V 偏压电路的情况下,装置被激发出了紫外光,并且指出,该装置可以在高温下运作。Alexo v A等[2]则在掺杂B元素后的金刚石薄膜上用同质外延法制备了一层掺杂N元素的金刚石薄膜,但是并没有详细报道此p n结的电致发光等特性。之后有关同质结的报道很不常见,估计主要是还是因为金刚石n型半导体掺杂的可重复性存在着一定的困难所致,目前报道都集中于金刚石半导体异质结上,比如,已在Si晶片上生长含B金刚石薄膜[3],或者是制备肖特基二极管(Schottky diodes)和场效应晶体管(Field effect transisto rs,FET)。 1987年化学气相沉积(CVD)法制备含B金刚石薄膜的方法并不完善,所以Geis等[4]用合成含B 金刚石单晶的方法制备了由W元素接触的首个金刚石肖特基二极管,并在700下考察了样品的性能,确定了样品具有很高的击穿场强。同一课题组的相关人员进一步考察了不同金属元素接触对金刚石肖特基二极管性能的影响[5],大量的工作表明,使用Al,Au,H g元素作为含B金刚石的表面接触元

金刚石石墨和C教案定稿版

金刚石石墨和C教案 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】

第六单元课题1 金刚石、石墨和C60 一、教材分析 本课题是初中化学第六单元课题一。碳是重要的化学元素，在生活中有着广泛的应用。前面学习了物质构成的奥秘，使本单元的高度上升了一个新台阶。本课题包括两部 、木炭及活性炭的重要物理分内容：一部分介绍碳单质，主要介绍了金刚石、石墨、C 60 性质、结构特点和用途；另一部分介绍碳的化学性质，常温下稳定，加热或高温下可以和氧气及某些氧化物等物质起反应。 [教学目标] 1．知识与技能 (1)了解金刚石、石墨和C 的微观构成、物理性质和用途。 60 (2)掌握碳单质的化学性质。 2．过程与方法 (1)能用变化发展的观点认识碳的单质。 (2)初步学会运用比较、归纳等方法对获取的信息进行加工。 3．情感态度与价值观 (1)提高学习化学的兴趣,确定学习化学的志向。 (2)增强学生热爱祖国的情感。

[教学重点] 碳单质的化学性质 [教学难点] 碳跟某些氧化物的反应 二、教学理念 本课题注重教学情景的创设，联系学生生活实际，体现出学化学是为了用化学；采用体验学习和探究学习的方式，图文并茂，使知识活动化、游戏化，给学生营造自由、宽松、有趣的学习氛围，充分调动学生的积极性；本节课教师作为组织者和协助者，对学生加以引导、启发、肯定和鼓励。 三、教学过程： [情景设置] （教师）化学实验室需要购买活性炭，请大家和我一块进行网上购物去吧！咱们到这个名为卖“炭”翁的商店逛逛去。 本节课的教学课堂就设置在这个商店里。学生在逛商场的过程中，经过讨论、探究，轻松、愉快的达到各项学习目标。这种活泼开放的教学环境，给学生以新奇感，能激发学生的学习兴趣，同时使学生感到，化学和生活是紧紧联系在一起的。 [新课讲解]

浅析金刚石矿床特征及找矿方法

龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/392309917.html, 浅析金刚石矿床特征及找矿方法 作者：伍先军陈建文 来源：《环球人文地理·评论版》2014年第07期 摘要：金刚石是一种珍稀而贵重的矿产资源，在现代社会其应用范围和利用价值越来越大，但是储量和产量相对较小。为了能够更深入的了解金刚石矿床特征以及选择利用更加合理高效的找矿方法，本文主要论述了金刚石分布现状，分析了金刚石矿床特征，探讨了金刚石矿床成因及找矿方法，对我国的金刚石找矿工作提供了参考依据。 关键词：成矿特征；矿床成因；找矿 金刚石作为一种宝贵的矿产资源，其在全世界的储量和产量都是非常稀少的[1-3]。据权威数据表明，目前全世界已经探明的金刚石储量大约在25亿克拉左右，其中澳大利亚的金刚石储量最大[4-5]。金刚石作为重要的矿产资源不仅储量有限，产量也不够高。目前全世界每年的金刚石产量大约在1亿克拉左右，这其中有大约80%的金刚石属于工业级金刚石，而更加昂贵价值更大的宝石级金刚石所占比例仅仅占到20%不到，远远满足不了需要。科技的发展以及人们生活水平的日益提高，乃至国防和航空事业的迅猛发展，导致金刚石的应用范围迅速扩大，其需求量大幅提高。如果按照现在的金刚石开采水平，现有的金刚石储量也仅够开采20-30年。随着越来越多的国家都展开了对金刚石矿的找矿工作，世界金刚石可探明储量也开始增大，好多国家都发现了新的金刚石矿床。人们需要对金刚石矿床特征更加深入的了解，同时需要更多的科研工作者投入到找矿工作中去，促进和提高现代找矿技术的发展。 1. 金刚石矿床成矿特征 1.1 辽宁瓦房店金刚石矿床特征 辽宁瓦房店金刚石矿区是我国最大的金刚石矿区之一，处于郯庐深断裂带的东侧和金州断裂带西侧，该矿区在长宽各几十千米的范围内，包括了众多的金伯利岩管和岩脉，数据表明共有一百余个金伯利岩体。瓦房店金刚石矿区位于地台凹陷区之内，太古宙和古元古代变质岩和花岗岩构成了该凹陷区基底。该区金伯利岩体侵入新元古界，少量侵入到古生界之中。 该矿区岩脉主要是金伯利岩，其金伯利岩主要是超基性岩石，矿区包括三个矿带。通过分析该矿区一百余个金伯利岩体的赋存特征，岩脉呈现北东东方向，岩管主要呈现北北东方向。金伯利岩管的形态较为复杂多样，多如椭圆形，葫芦形或者菱形。通过对地质构造以及金伯利岩体的研究和理论分析，认为瓦房店金刚石矿区金刚石储量丰富，保守估计储量应在150万克拉左右。 1.2 山东蒙阴金刚石矿床

几种常见晶体结构分析.

几种常见晶体结构分析 河北省宣化县第一中学 栾春武 邮编 075131 栾春武：中学高级教师，张家口市中级职称评委会委员。河北省化学学会会员。市骨干教师、市优秀班主任、模范教师、优秀共产党员、劳动模范、县十佳班主任。 联系电话：：： 一、氯化钠、氯化铯晶体——离子晶体 由于离子键无饱和性与方向性，所以离子晶体中无单个分子存在。阴阳离子在晶体中按一定的规则排列，使整个晶体不显电性且能量最低。离子的配位数分析如下： 离子数目的计算：在每一个结构单元（晶胞） 中，处于不同位置的微粒在该单元中所占的份额也有 所不同，一般的规律是：顶点上的微粒属于该单元中 所占的份额为18 ，棱上的微粒属于该单元中所占的份额为14，面上的微粒属于该单元中所占的份额为12 ，中心位置上（嚷里边）的微粒才完全属于该单元，即所占的份额为1。 1.氯化钠晶体中每个Na +周围有6个C l －，每个Cl －周围有6个Na +，与一个Na +距离最近且相等的 Cl －围成的空间构型为正八面体。每个N a +周围与其最近且距离相等的Na + 有12个。见图1。 晶胞中平均Cl －个数：8×18 + 6×12 ＝ 4；晶胞中平均Na +个数：1 + 12×14 ＝ 4 因此NaCl 的一个晶胞中含有4个NaCl （4个Na +和4个Cl －）。 2.氯化铯晶体中每个Cs +周围有8个Cl －，每个Cl －周围有8个Cs +，与 一个Cs +距离最近且相等的Cs +有6个。晶胞中平均Cs +个数：1；晶胞中平 均Cl －个数：8×18 ＝ 1。 因此CsCl 的一个晶胞中含有1个CsCl （1个Cs +和1个Cl －）。 二、金刚石、二氧化硅——原子晶体 1.金刚石是一种正四面体的空间网状结构。每个C 原子以共价键与4 个C 原子紧邻，因而整个晶体中无单个分子存在。由共价键构成的最小 环结构中有6个碳原子，不在同一个平面上，每个C 原子被12个六元环 共用，每C —C 键共6个环，因此六元环中的平均C 原子数为6× 112 ＝ 12 ，平均C —C 键数为6×16 ＝ 1。 C 原子数: C —C 键键数 ＝ 1:2； C 原子数: 六元环数 ＝ 1:2。 2.二氧化硅晶体结构与金刚石相似，C 被Si 代替，C 与C 之间插氧，即为SiO 2晶体，则SiO 2晶体中最小环为12环（6个Si ，6个O ）， 最小环的平均Si 原子个数：6×112 ＝ 12；平均O 原子个数：6×16 ＝ 1。 即Si : O ＝ 1 : 2，用SiO 2表示。 在SiO 2晶体中每个Si 原子周围有4个氧原子，同时每个氧原子结合2个硅原子。一个Si 原子可形 图 1 图 2 NaCl 晶体 图3 CsCl 晶体 图4 金刚石晶体

分析金刚石钻头的结构及特点

金刚石钻头的结构及特点 长沙清泉钻机有限公司为您详细解析分析金刚石钻头的结构及特点 1、总体结构 金刚石材料钻头属一体式钻头，整个钻头无活动部件，主要有钻头体，冠部，水力结构（包括水眼或喷嘴、水槽亦称流道，排屑槽），保径、切削刃（齿）五部分 金刚石钻头的冠部是钻头切削岩石的工作部分，其表面（工作面）镶装有金刚石材料切削齿，并布置有水力结构，其侧面为保径部分（镶装保径齿）它和钻头体相连，由碳化钨胎体或钢质材料制成。 钻头体是钢质材料体，上部是丝扣和钻柱相连接，其下部与冠部胎体连结在一起（钢质的冠部则与钻头体成为一个整体）。 金刚石材料钻头的水力结构分为两类。一类用于天然金刚石钻头和TSP钻头，这类钻头的钻井液从中心水孔流出，经钻头表面水槽分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿，最后携带岩屑从侧面水槽及排屑槽流入环形空间。另一类用于PDC钻头，这类钻头的钻井液从水眼中流出，经过各种分流元件分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿。PDC 钻头的水眼位置和数量根据钻头结构而定。 金刚石材料的保径部分在钻进时起到扶正钻头、保证井径不致缩小的作用，采用在钻头侧面镶装金刚石的方法达到保径目的。 2、金刚石材料钻头的切削齿材料 金刚石钻头切削齿材料分为天然金刚石和人造金刚石两大类。金刚石为碳的结晶体，晶体结构为正四面体，碳原子之间以共价键相连，结构非常稳定，典型的品形有立方体、八面体和十二面体等。 金刚石是人类目前所知材料中最硬、抗压强度最强、抗磨损能力最高的材料，因此它是作为钻头切削刃最理想的材料。 但是，金刚石作为钻头切削刃材料也存在较大的弱点。第一，它的脆性较大，遇到冲击载荷会引起破裂。第二，它的热稳定性较差，在高温下金刚石燃烧变为二氧化碳和一氧化碳（碳化），在空气中约在455～860℃之间，金刚石就要出现石墨化燃烧；在惰性或还原性气体中不会氧化，但在约1430℃时，金刚石晶体会突然爆裂而变成石墨。因此金刚石钻头的设计、制造和使用中须避免金刚石材料经受高的冲击载荷并保证金刚石切削齿的及时冷却。 3.金刚石工具的现状 金刚石工具广泛应用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域，机械加工用的磨具、地质钻头及石材锯切工具的制造工艺水平已有很大提高。产品已形成系列化、标准化，品种规格齐全，产品质量稳定，部分产品在国际市场上具有一定的竞争力。金刚石单晶绝大多数是用来制作各种金刚石工具，其种类很多。我国生产的金刚石锯切工具品种规格齐全，质量稳定。据统计，近几年来金刚石钻探工具基本上可满足市场需求；随着建筑业的发展和家用空调的普及，用于管线安装和空调整机安装及旧楼改造，施工用金刚石薄壁工程钻头需求量也在日益增加，用于石油、煤田勘探的PDC钻头的需求量也相应增加，我国所生产的金刚石复合片在质量上还不过关，有待于进一步研究改进，不断提高产品质量，改变目前PDC 钻头依赖进口的局面。

金刚石的消光规律--晶体结构题目例

金刚石的消光规律--晶体结构题目例

（4）金刚石的消光规律计算举例： 金刚石结构中C 的原子坐标： （000）（1/2 1/2 0）(1/2 0 1/2)(0 1/2 1/2) (1/4 1/4 1/4) (3/4 3/4 1/4) (3/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 3/4) F hkl =∑f j e 2πi(hxj+kyj+lzj) =fe 2πi(0)+fe 2πi(h/2+k/2)+fe 2πi(h/2+l/2)+fe 2πi(k/2+l/2) +fe 2πi(h/4+k/4+l/4) +fe 2πi(3h/4+3k/4+l/4) +fe 2πi(3h/4+k/4+3l/4) +fe 2π i(h/4+3k/4+3l/4) 前四项为面心格子的结构因子，用F F 表示，后四项可提出公因子e πi/2(h+k+l) 。得： F hkl =F F +fe πi/2(h+k+l) (1+e πi (h+k) +e πi (h+l) +e πi (k+l) ) = F F +F F e πi/2(h+k+l) =F F (1+ e πi/2(h+k+l) ) (1) 由面心格子可知，h 、k 、l 奇偶混杂时，F F =0，F=0； (2) h 、k 、l 全为奇数，且h+k+l=2n+1时, 1+ e πi/2(h+k+l) =1+cosπ/2(h+k+l)+i sinπ/2(h+k+l)

=1+cosπ/2(2n+1)+i sinπ/2(2n+1) =1+(-1)n i F=4f(1±i) F 2 =16f 2 (1+1)=32f (3) h 、k 、l 全为偶数，且h+k+l=4n 时 F=4f(1+e 2niπ) = 4f(1+1) = 8f (4) h 、k 、l 全为偶数，且h+k+l≠4n，即h+k+l=2(2n+1)时 F=4f(1+e (2n+1)iπ )=4f(1-1)=0 对于金刚石 各原子的分数坐标为 ）（,0,00，）（,021,21，），（,21,021， ），，（,2 1210 ）（41,41,41，）（41,43,43，）（43,43,41， ）（4 3 ,41,43 由结构因子得 ) ()()(0[F l k i l h i k h i hkl e e e e f ++++++=πππ

金刚石石墨和C60教案

第六单元课题1 金刚石、石墨和C60 一、教材分析 本课题是初中化学第六单元课题一。碳是重要的化学元素，在生活中有着广泛的应用。前面学习了物质构成的奥秘，使本单元的高度上升了一个新台阶。本课题包括两部分内容：一部分介绍碳单质，主要介绍了金刚石、石墨、C60、木炭及活性炭的重要物理性质、结构特点和用途；另一部分介绍碳的化学性质，常温下稳定，加热或高温下可以和氧气及某些氧化物等物质起反应。 [教学目标] 1．知识与技能 (1)了解金刚石、石墨和C60的微观构成、物理性质和用途。 (2)掌握碳单质的化学性质。 2．过程与方法 (1)能用变化发展的观点认识碳的单质。 (2)初步学会运用比较、归纳等方法对获取的信息进行加工。 3．情感态度与价值观 (1)提高学习化学的兴趣,确定学习化学的志向。 (2)增强学生热爱祖国的情感。 [教学重点] 碳单质的化学性质 [教学难点] 碳跟某些氧化物的反应 二、教学理念 本课题注重教学情景的创设，联系学生生活实际，体现出学化学是为了用化学；采用体验学习和探究学习的方式，图文并茂，使知识活动化、游戏化，给学生营造自由、宽松、有趣的学习氛围，充分调动学生的积极性；本节课教师作为组织者和协助者，对学生加以引导、启发、肯定和鼓励。 三、教学过程： [情景设置] （教师）化学实验室需要购买活性炭，请大家和我一块进行网上购物去吧！咱们到这个名为卖“炭”翁的商店逛逛去。 本节课的教学课堂就设置在这个商店里。学生在逛商场的过程中，经过讨论、探究，轻松、愉快的达到各项学习目标。这种活泼开放的教学环境，给学生以新奇感，能激发学生的学习兴趣，同时使学生感到，化学和生活是紧紧联系在一起的。 [新课讲解] （教师）给学生展示商店里面商品的图片：大家看看一号柜台出售的是金刚石类的，有人造的和天然的金刚石，由金刚石打磨而成的光彩夺目、价值连城的钻石，由金刚石制成的用来切割的玻璃刀和钻头。大家根据金刚石的用途能够推测出它的性质吗？ （学生回答）金刚石是透明的正八面体，非常坚硬。 （教师）对，同学们回答的很好，咱们继续去买咱们需要的活性炭吧。二号柜台出售的是石墨类商品，请大家观察它的颜色，这些是由石墨制成的产品，有铅笔芯，润滑剂，电池的碳棒，坩埚。大家能不能推测出石墨具备哪些性质呢？ （学生回答）深灰色片状固体，软，滑腻，导电，耐高温。

金刚石内部结构的差异性研究及其意义

Application of Mechanics-electronics Technology 2019年8月下 金刚石内部结构的差异性研究及其意义 荣春玲，李亚选，徐 岩，周金海 （郑州华晶金刚石股份有限公司，河南 郑州 450000） 摘　要：文章对金刚石内部生长结构及其晶格缺陷进行分析，希望为其形成机制以及形成环境等方面的研究提供一定的参考。关键词：金刚石；内部结构；差异性中图分类号：P574 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2019）16-0196-01 ——————————————作者简介： 荣春玲（1989—），女，河南安阳人，工程师，研究方向： 人造金刚石。 金刚石是一种由纯碳组成的矿物，是碳元素的同素异形体，它是现阶段人类所发现的自然界中天然存在的最坚硬的物质，具有较为广泛的用途，涉及工业切割用具、工艺品制作等多个方面。这使得金刚石长期以来受到世界科学家的广泛关注。对金刚石的探索有利于人类解决地球深部重大科学问题。 1 研究意义 金刚石具有独特的无理和化学性质，科学界对其的研究工作持续推进。在近几十年中，现代测试技术水平的不断提升，使得人们在金刚石研究领域取得了巨大的突破。结合现有研究成果来看，金刚石中所包含的杂质元素、同位素以及包裹体等组分的分布并不均匀，且其内部生长结构和晶体缺陷也是变化的，将金刚石当作一个均匀体系进行研究并不可取，必须重新寻找针对金刚石的更加科学有效的方法。此外，金刚石合成工艺也处于持续发展中，人类已经有能力在高温低压下合成宝石级的金刚石，这说明过去只能在高温高压下合成金刚石的认知将被打破。但此工艺还存在一系列问题，如高温高压下产生的金刚石具有哪些特征，是否需要重新建立金刚石的形成机制和找矿模式等。为了解决上述问题，有必要通过现代微区和原位分析技术对金刚石进行微组构研究。基于以上原因，对金刚石内部生长结构以及晶体缺陷等特征进行分析具有重要意义[1-2]。 2 金刚石内部生长结构和晶格缺陷 2.1 金刚石内部生长结构 大部分金刚石的形态都表现为立方体或是八面体晶体，其内部为圈层状结构，同时包含了简单的生长环带。近些年，世界主要的金刚石产地的都出现了内部生长结构更加复杂的金刚石。这些内部生长结构复杂的金刚石表现出了多种型式，其中有P 型、E 型，常见于原生矿床或是冲积矿床中，当前阶段金刚石内部生长结构分为O、D、K 和其他类型。其中，O、D、K 三类金刚石的晶体生长多倾向于八面体、十二面体以及立方体。内部生长接过不同的金刚石往往拥有不同的生长历史。Rubanova et al.在2009年发现V.Girb 岩管中大约5%的金刚石具备一个或是多个不同外形的金刚石核心，这些核心在金刚石形成的初期往往发挥着晶核的作用。例如，Stepanov 在2007年通过研究发现，产于Udachnaya 岩管中的榴辉岩捕虏体重的金刚石具有十分显著的多样性，可以用金刚石两阶段模式和变化的生长机制来解释。再如，我国学者陈美华等在2000年提出了将具有复杂环带金刚石进行生长周期划分的观点，不同生长周期之间存在较大的时间间隔，其伴随着熔蚀作用。比较少见的似玛瑙状结构的金刚石就是在多种生长机制的混合作用下形成的。综合以上研究成果可知，很多金刚石都具有相对复杂的内部结构，具体表现为从核心部位到边缘存在多种生长特征，而这往往是生长环境的不同造成的结果。可以断定，基本上所有具有复杂内部生长结构的金刚石， 其在形成的过程中，中心包裹体发挥着晶核的作用，之后不断重复“生长—熔蚀间断—在生长”这一过程，最终形成了复杂的内部生长结构[3-4]。2.2 金刚石存在的晶格缺陷 很多金刚石都存在一定的晶格缺陷，主要包括点缺陷、面缺陷以及体缺陷三种类型，这种缺陷会对晶体的生长产生不利影响，同时也会使其光学性能受到损害，其中受影响最严重的是宝石学性能。结合现有研究成果来看，大约六成的金刚石存在中心包裹体，在金刚石形成初期，包裹体发挥着晶核作用，但同时也会构成位错群，部分研究者认为位错控制着金刚石的形成。实际上，更深层次的原因是包裹体的存在使得金刚石内部产生的应力得不到均匀的释放，导致其晶格产生畸变。在此主要原因。我国杨明星等2004条带状，带内位错密度远远超出带间。 由上述内容可知，在金刚石生长的过程中以及后期塑形变形都可能会出现晶格缺陷。同时，温度、压力等环境参数的变动也可能会使金刚石出现形变现象。Shiryaev 在2007年通过研究发现，在不同的温度和压力条件下，金刚石的形变程度也存在一定的差异性，这可能是金刚石内部不均匀分布各类杂质的主要原因。 3 研究结果 综合以上研究内容可知，自然形成的金刚石其内部生长结构一共包括四种类型，具体可以细分为18种型式，金刚石中存在的晶格缺陷大致可以分为点缺陷、面缺陷以及体缺陷三种，多形成于生长过程中，或是由后期塑性变形引起的。此外，温度和压力也发挥着一定的影响力。 4 结束语 金刚石内部生长结构和晶格缺陷的分布存在明显的差异性，这和金刚石的生长环境以及生长机制存在紧密的联系。对金刚石内部结构的微区、原位进行研究，可以为金刚石形成机制、环境、深度等问题的研究提供重要依据。参考文献： [1]刘小雨,梁榕,杨志军.金刚石内部结构的差异性研究及其意义 [J].矿物学报,2010,30(S1):44-45.[2]沈琦.多晶金刚石磨粒的制备和加工性能[D].南京:南京航空航 天大学,2017.[3]高鸽.金刚石生长及加工过程中的力学行为研究[D].哈尔滨:哈 尔滨工业大学,2016.[4]张娜.含硼金刚石单晶的微观品质与半导体性能的相关性研究 [D].济南:山东大学,2010. （收稿日期：2019-8-5）