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              金剛石的晶體生長奧秘

                晶體形成的過程就是物質從其它相轉變為結晶相的過程。也就是原來的非晶物質在一定的物理化學條件下(溫度、壓力和組分濃度等)轉變為結晶物質的過程。晶體形成的方式主要有:

                一種氣體處于它的過飽和蒸汽壓或過冷卻溫度條件下,直接由氣相轉變為晶體。生活中最典型的例子是冰花,冬季玻璃窗上的冰花就是由空氣中的水蒸氣直接結晶的結果。  


              金剛石單晶,細顆粒金剛石,人造金剛石,長沙金剛石
              02由液體(溶液或熔融體)中結晶

               

               

              03由固相轉變為晶體


              這種相變亦可有兩種方式:

              因為與結晶相比,非晶質體具有較大的自由能,所以它可以自發地向自由能較小的晶質體轉變。如石墨制品有非晶質的焦炭,瀝青等經過高溫作用形成石墨晶體。

              這種相變,即通常所謂的同質多象轉變。例如人造金剛石,通常是由石墨在高溫和極大的壓力下轉變而成的。 



              金剛石單晶,細顆粒金剛石,人造金剛石,長沙金剛石

                                                            但在實際生長過程中,由于生長時的外界環境總是或多或少的偏離理想條件,面網在生長時就不可能嚴格地逐層平行向外推移,而往往是按格子構造聚合而成的質點基團成團的粘附到晶核(芽)上去,值得注意的是,這些質點基團和晶核(芽)之間,質點基團與質點基團之間,并不是按照格子構造規律嚴格地互相平行的,經常存在著很微小的角度偏差,有時甚至造成晶體結構上的某些缺陷。除此之外,就是隨著晶體的長大,溶質供應的不均勻性會逐漸明顯,相對來說,角頂處接受溶質的機會最多,晶棱附近次之,晶面中心則最小,因而質點將優先在角頂和晶棱附近堆積。

              而對于由一種晶體轉化成另一種晶體的機理,我們以石墨轉化成金剛石為例,人造金剛石生長機理由于在高溫高壓下檢測困難的限制,我們不能直觀的了解其變化過程,所以其機理都是由研究者根據晶體的一般規律推理出來的,并且有很多種說法,其中最主要的理論模型包括兩類:一類是不破鍵觀點(無擴散,直接轉變觀點),包括固相轉化說和結構轉化說;另一類是破鍵觀點(溶解、擴散觀點),包括溶劑說、催化劑說、溶劑一催化劑說等。

                破鍵觀點認為,石墨化學鍵先經破裂,然后重建為金剛石鍵,經過了一個由碳原子鍵打開到重新組合成新鍵的過程。這在結晶化學中稱為重建性轉變。實現這種轉變往往需要提供較多的能量。在這一過程中,包含碳原子的溶解、擴散和再結晶等幾個步驟,一般可以認為是固一液一固轉變,遵循上面講的從液相中結晶的一般規律。例如晶體隨時間延長而長大,表面有生長臺階、生長螺旋。

                現就目前比較熱門的大顆粒金剛石的合成機理從溶劑說的機理加以解釋:

              金剛石結晶的動力是溶液中金剛石的過飽和度,結晶形態和晶體的形成與長大,都與過飽和度直接相關。過飽和度大小取決于在具體P、T條件下石墨與金剛石溶解度之差,造成過飽和的原因是石墨與金剛石在熱力學上的勢差——化學位之差。在一定溫度范圍內金剛石比石墨穩定,因而石墨較容易溶解,即石墨溶解度比金剛石大。這一理論的有力證據是人造金剛石表面的形態和缺陷,比如在金剛石的( 111)面發現生長臺階和螺旋線。  


              金剛石單晶,細顆粒金剛石,人造金剛石,長沙金剛石晶種法合成大顆粒金剛石的示意圖

              金剛石單晶,細顆粒金剛石,人造金剛石,長沙金剛石圖中可看到明顯的生長臺階

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