苑博士讲钻石：钻石的宏观与微观结构

发布时间：

2021-12-29 00:00

钻石的宏观结构

利用北京正负电子对撞机的同步辐射装置，先将电子束以直线加速器加速至高能电子束流，在周长240.4米的储存环内做高速循环运动，速度达到近光速，沿切线方向把同步辐射X光引到外侧的试验站，钻石样品位于光源与底片之间，同步辐射白光入射线水平射入样品，入射射线与样品和底片中心位于同一直线内，底片垂直入射线，白光形貌可以在几秒钟内获得多个晶面组的衍衬像。但同步辐射设备无法轻易使用，亦可利用小型X光机同样照射样品，但需数十分钟感光，在底片上同样得到多个晶面组的衍衬像，各个晶面组的衍衬像以主晶面的方向有序排列，排列对称程度显示该刻面与主晶面角度差异程度，做首饰不必考虑主晶面方向，但工业上使用时经常要确定其主晶面方向，如（100）面为方形结构、（111）面为三角形/六角形结构、（110）面为椭圆形结构等。如下图：

主晶面（100）面正确角度主晶面（100）面稍偏角度，可接受

主晶面（111）衍衬像以三个对称圆形排列，正确角度主晶面（111）面稍偏角度，可接受

左图为天然褐色金刚石之主晶面（110）面方向的多组晶面衍衬像，以对称橢圆形排列的正确角度，褐色金刚石生长完成后，在地底下受到极大压力，右边两个放大图形为该两个晶面组被挤压造成塑性变形而破碎。

钻石的微观结构

利用透射电子显微镜可将钻石放大数万至百万倍，可见到碳原子像。制作样品非常困难，首先将钻石磨至10-30微米的薄片，后经氩离子减薄至中央穿透，四周渐厚至2000Å的厚度，放在透射电子显微镜可以看到金刚石薄片中的微结构缺陷、原子晶格像及原子像。

氩离子减薄后的薄片样品，左边黑色为穿透部分，边缘彩色为渐厚部分

金刚石晶格条纹像[111]和原子像，每一圆点为一个碳原子，在透射电子显微镜下被放大100万倍

透射电子显微镜特征：

观察钻石中极微小的杂质，需将钻石减薄至数微米厚度，利用透射电子显微镜放大千、万至百万倍观察。使用北京大学物理研究所TECNAI F30场发射透射电镜（FEI）对培育钻石在300KV下完成测试。结果如下图显示，CVD培育钻石在生长速率较快时，极易有碳原子没有转化为SP3结构的金刚石，而以SP1、SP2碳或石墨的杂质状态留存在生长的CVD培育钻石中，因为体积极小，只能用千至万倍的TEM放大观察, 可见黑色的石墨包裹体、等倾纹及位错。