金刚石及具有金刚石结构的晶体

金刚石 · 发表于 3 天前

是高中选修《物质的结构与性质》中的一道选作题，相关内容越多越好

|潜意识 · 发表于 3 天前

金刚石、Si、SiO2、Ge等晶体的结构都是所谓金刚石型晶体结构。金刚石是碳的一种晶体，其中的碳原子之间都是以共价键结合起来的，故称其为共价键晶体。
【1】共价键晶体的形成：
金刚石这种共价键晶体的形成与碳原子的特殊电子结构有关。碳原子的原子序数是6，其电子结构是[He]2s22p2。因为碳原子的2s和2p亚壳层状态很接近，当附近有其他原子作用时，这两个亚壳层电子的状态即变得不好区分，则只能考虑主壳层——L壳层。由于L壳层共可容纳8个电子，则还有4个空位，于是碳原子就很容易与其他碳原子共用电子——形成共价键【属于s2p3杂化态】，一个碳原子总共可以形成4个共价键，即可以与相邻的4个碳原子形成共价键，则构成正四面体分布的结构【共价键之间的夹角为109o28’】。采用这种原子排列的规律即可构成金刚石结构。晶体中一个原子周围的最近邻的原子数目称为配位数。金刚石晶体中碳原子的配位数为4，该数目较少，这是由于共价键的饱和性所决定的。
Si和Ge原子的电子结构也与碳原子的类似，其最外层的电子都是2s22p2状态。则Si和Ge晶体的结构也与金刚石晶体类似，即都是共价键晶体，并且它们的原子都具有正四面体分布的型式，即构成金刚石型晶体结构。
【2】共价键晶体的基本性质：
共价键中的电子与原子核之间存在着很强的Coulomb吸引力，故共价键的能量在所有价键中是最高的，因而共价键晶体具有很高的熔点和较高的弹性模量【即不容易发生弹性形变】，脆而硬。金刚石的共价键能量很高【～7.4eV/原子】，Si的共价键能量要低一些【～4eV/原子】。金刚石就是最坚硬的一种材料，熔点高达3550oC，弹性模量也高达827GPa。正由于共价键能量很高，所以共价键晶体就很难溶于几乎所有的溶剂中。也由于共价键的本质和高硬度，所以共价键晶体就很难延展，即无塑性、且易碎。
在电场作用下，共价键中的电子不能自由运动，因此共价键晶体的导电性很差。金刚石就是一种绝缘体，Si、Ge晶体在低温下也是绝缘体。不过，在较高温度时，由于共价键中电子热运动能量的升高，有的电子将有可能摆脱共价键的束缚、而成为自由电子，从而就可以产生导电【称为本征导电】。显然，能够产生这种本征导电的温度与共价键能量有关，对于不同的共价晶体，共价键能量不同，温度也不相同。可见，共价键晶体实际上也就是一种半导体，只是产生本征导电的温度对于不同的晶体有所不同而已【金刚石在很高温度下也是半导体】。
【3】Bravais格子、复式晶格和晶格常数：
金刚石型晶体的晶胞是一个立方体，它是反映了晶体对称性【立方对称性】的一种体积最小的重复单元，或称为单胞。仔细观察该金刚石型结构的晶胞就会发现，这种结构也可以看成是由两套面心立方Bravais格子、沿着晶胞立方体对角线的方向错开【即相对移动】1/4对角线长度而套构起来的。晶体的原胞是只反映了晶体周期性的一种体积最小的重复单元，体积一般是小于或者等于晶胞的体积。面心立方格子的晶胞体积是其原胞体积的4倍。金刚石型晶体结构的Bravais格子形式就是面心立方格子，它的晶胞体积比原胞大4倍。
① 在面心立方晶胞内部的适当位置上【1/4体对角线上】、放置4个原子，就得到金刚石型晶格的晶胞。因为面心立方晶胞中共包含4个原子【一个顶角原子+3个面心原子】，因此，每一个金刚石晶胞中共包含8个原子【面心立方的4个原子+4个内部的原子】。
② 每一个共价键的长度，即共价键正四面体中的顶角原子与中心原子之间的距离，也就是晶胞体对角线长度的1/4，并因此共价键正四面体的顶角原子和中心原子分别处于不同的面心立方格子中，它们是不等价的。值得注意，在面心立方体晶胞的顶角和面心上的原子都是等价原子。但这些原子与在晶胞内部的4个原子却是不等价的【因为它们共价键的具体取向不同，虽然所有共价键都是方向】。因此，金刚石型晶体结构中虽然只有一种元素的原子，但是处于共价键正四面体顶角的和中心的原子并不等价【它们各自都构成一套面心立方格子】，从而金刚石型晶格是所谓复式晶格。实际上，从原胞中的原子数目也可以看到这一点。因为金刚石型晶格的原胞形状也像面心立方晶格的一样，都是平行四边形，面心立方晶格的原胞中只有一个原子，而金刚石型晶格的原胞中却共包含2个原子，所以是复式晶格。
③晶胞的边长称为晶格常数。对于金刚石型立方晶系的晶体，因为晶胞是一个立方体，所以只有一个晶格常数。但对于其他非立方晶体胞的晶体，晶格常数就不只一个【2个或3个】。

狂想曲。 · 发表于 3 天前

金刚石结构【Diamond structure 】就是金刚石晶体的结构。具有这种类型的晶体结构即称为金刚石型结构。
金刚石是碳原子的一种结晶体。其中的碳原子都以共价键结合，原子排列的基本规律是每一个碳原子的周围都有4个按照正四面体分布的碳原子。这种结构可看成是由两套面心立方Bravais格子套构而成的，套构的方式是沿着单胞 [结晶学元胞]立方体对角线的方向移动1/4距离。也可以看成是由许多【111】的原子密排面沿着[111]方向、按照ABCABCABC···规律堆积起来而构成的。每个单胞中包含有8个原子，每个原胞中包含有2个不等价的原子，是一种复式晶格。重要的半导体Si和Ge就具有金刚石型的晶体结构。
除了单质硅和单质锗以外，具有类似金刚石结构的还有六方氮化硼、碳化硅。

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金刚石及具有金刚石结构的晶体

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