Materiálové vlastnosti diamantu - Material properties of diamond

diamant
Rough diamond.jpg
Oktaedrický diamantový krystal v matrici
Všeobecné
KategorieNativní nekov, Minerální
Vzorec
(opakující se jednotka)		Uhlík (C)
Krystalový systémDiamantový krychlový
(A = 3.56683 A )
Identifikace
BarvaNejčastěji bezbarvé až žluté nebo hnědé. Zřídka růžová, oranžová, zelená, modrá, šedá nebo červená.
Krystalický zvykOktaedrický, cubo-oktaedrický, sférický nebo kubický
VýstřihOktaedrický; perfektní a snadné
ZlomeninaConchoidal
Mohsova stupnice tvrdost10
Pruhbílý
DiaphaneityJasné, že ne
Specifická gravitace3.516–3.525
Index lomu2.417
PleochroismusŽádný
TavitelnostHoří na vzduchu nad 700 ° C.
RozpustnostOdolný vůči kyselinám, ale nevratně se rozpouští v horké oceli
Další vlastnostibod varu = žádný, velmi nízký tlak par před rozkladem v pevném stavu
Hlavní odrůdy
BallasSférická, radiální struktura, kryptokrystalická, neprůhledná černá
BortŠpatně tvarovaný, kryptokrystalický, beztvarý, průsvitný
CarbonadoMasivní, mikrokrystalická, neprůhledná černá

diamant je allotrope uhlíku ve kterém uhlík atomy jsou uspořádány do konkrétního typu kubická mřížka volala diamant krychlový. diamant je krystal který je transparentní až neprůhledný a který je obecně izotropní (žádný nebo velmi slabý dvojlom). Diamant je nejtěžší přirozeně se vyskytující materiál známý. Přesto, kvůli důležitým strukturálním slabinám, diamantové houževnatost je jen fér k dobrému. Přesné pevnost v tahu objemového diamantu není znám; pevnost v tlaku až 60GPa bylo pozorováno a mohlo by to být až 90–100 GPa ve formě drátů nebo jehel o velikosti nanometru (průměr ~ 100–300 nanometrů), s odpovídajícím lokálním maximálním tahovým elastickým napětím přesahujícím 9%.[1] The anizotropie tvrdost diamantu je pečlivě zvážena během diamantové řezání. Diamant má vysoký index lomu (2.417) a střední disperze (0,044) vlastnosti, které dodávají broušeným diamantům jejich lesk. Vědci klasifikují diamanty do čtyř hlavních typů podle povahy krystalografické vady současnost, dárek. Stopujte nečistoty substitučně nahrazující atomy uhlíku v diamantu Krystalická struktura, a v některých případech strukturální vady, jsou zodpovědné za širokou škálu barev viděných v diamantu. Většina diamantů je elektrické izolátory a mimořádně efektivní tepelné vodiče. Na rozdíl od mnoha jiných minerálů je specifická gravitace diamantových krystalů (3,52) má poměrně malou odchylku od diamantu k diamantu.

Tvrdost a krystalová struktura

Známý starým Řekům jako ἀδάμας - adámas („správné“, „nezměnitelné“, „nerozbitné“)[2] a někdy volal neoblomný, diamant je nejtvrdší známý přirozeně se vyskytující materiál a slouží jako definice 10 na Mohsova stupnice minerální tvrdosti. Diamant je extrémně silný díky své krystalové struktuře, známé jako diamant krychlový, ve kterém má každý atom uhlíku kovalentně navázané čtyři sousedy. Hromadné kubické nitrid boru (c-BN) je téměř stejně tvrdý jako diamant. Diamant reaguje s některými materiály, jako je ocel, a c-BN se při řezání nebo obroušení opotřebovává méně. (Své struktura zinkblende je jako diamantová kubická struktura, ale se střídavými typy atomů.) Aktuálně hypotetický materiál, beta nitrid uhlíku (β-C3N4), může být také tvrdý nebo tvrdší v jedné formě. Ukázalo se, že nějaký diamant agregáty s velikostí zrna nanometru jsou tvrdší a tvrdší než běžné velké diamantové krystaly, takže fungují lépe jako abrazivní materiál.[3][4] Díky použití těchto nových ultra tvrdých materiálů pro testování diamantů jsou nyní známy přesnější hodnoty diamantové tvrdosti. Povrch kolmý na [111] krystalografický směr (to je nejdelší úhlopříčka krychle) čistého (tj. typu IIa) diamantu má hodnotu tvrdosti 167 GPa při poškrábání nanodiamant hrot, zatímco samotný nanodiamantový vzorek má při testování s jiným nanodiamantovým hrotem hodnotu 310 GPa. Protože test funguje správně pouze s hrotem z tvrdšího materiálu než testovaný vzorek, je skutečná hodnota pro nanodiamant pravděpodobně o něco nižší než 310 GPa.[3]

Vizualizace diamantové kubické jednotkové buňky: 1. Komponenty jednotkové buňky, 2. Jedna jednotková buňka, 3. Mřížka 3 × 3 × 3 jednotkových buněk
Molární objem vs. tlak při teplotě místnosti.
3D model diamantové mřížky s kulovou tyčí

Přesné pevnost v tahu diamantu není znám, avšak síla až 60GPa bylo pozorováno a teoreticky by to mohlo být až 90–225 GPa v závislosti na objemu / velikosti vzorku, dokonalosti diamantové mřížky a její orientaci: Pevnost v tahu je nejvyšší pro [100] směr krystalu (kolmo na kubickou plochu), menší pro [110] a nejmenší pro osu [111] (podél nejdelší úhlopříčky kostky).[5] Diamond má také jeden z nejmenších stlačitelnost jakéhokoli materiálu.

Krychlový diamanty mají perfektní a snadné osmistěn výstřih, což znamená, že mají jen čtyři letadla —Slabé pokyny podle tváře osmistěnu, kde je méně vazeb - podél kterých se diamant může při tupém nárazu snadno rozdělit a zanechat hladký povrch. Podobně je výrazně tvrdost diamantu směrový: nejtěžší směr je úhlopříčka na krychle obličej, stokrát tvrdší než nejměkčí směr, kterým je dodekahedrál letadlo. Oktaedrická rovina je mezi dvěma extrémy. The diamantové řezání proces se do značné míry spoléhá na tuto směrovou tvrdost, protože bez ní by byl diamant téměř nemožné vyrobit. Výstřih hraje také užitečnou roli, zejména u velkých kamenů, kde si fréza přeje odstranit vadný materiál nebo vyrobit více než jeden kámen ze stejného kusu hrubosti (např. Cullinan Diamond ).[6]

Diamanty krystalizují v krychli diamantu krystalový systém (vesmírná skupina Fd3m) a skládá se z čtyřstěnně, kovalentně vázané atomy uhlíku. Volala druhá forma lonsdaleite, s šestihranný byla také nalezena symetrie, ale je extrémně vzácná a tvoří se pouze v meteority nebo v laboratorní syntéze. Místní prostředí každého atomu je ve dvou strukturách identické. Z teoretických úvah se očekává, že lonsdaleite bude tvrdší než diamant, ale velikost a kvalita dostupných kamenů nejsou dostatečné pro testování této hypotézy.[7] Ve smyslu krystalický zvyk, diamanty se vyskytují nejčastěji jako euhedral (dobře tvarované) nebo zaoblené oktaedry a spojený, zploštělý osmistěn s trojúhelníkovým obrysem. Jiné formy zahrnují dodecahedra a (zřídka) kostky. Existují důkazy o tom dusík nečistoty hrají důležitou roli při tvorbě dobře tvarovaných euhedral krystalů. Největší nalezené diamanty, například Cullinan Diamond, byly beztvaré. Tyto diamanty jsou čisté (tj. Typ II), a proto obsahují jen málo nebo vůbec žádný dusík.[6]

Tváře diamantových osmistěnů jsou vysoce lesklý vzhledem k jejich tvrdosti; růstové vady trojúhelníkového tvaru (trigony) nebo leptat jámy jsou často přítomny na tvářích. Diamant zlomenina může být krokový, konchoidní (podobné skořápce, podobné sklenka ) nebo nepravidelné. Diamanty, které jsou téměř kulaté, kvůli tvorbě několika kroků na oktaedrických tvářích, jsou obvykle potaženy kůží podobnou dásni (nyf). Kombinace stupňovitých ploch, růstových vad a nyf vytváří „šupinatý“ nebo zvlněný vzhled. Mnoho diamantů je tak zkreslených, že je rozeznatelné jen málo krystalických tváří. Některé diamanty nalezené v Brazílie a Demokratická republika Kongo jsou polykrystalický a vyskytují se jako neprůhledné, tmavě zbarvené, sférické, radiální masy drobných krystalů; tito jsou známí jako Ballas a jsou pro průmysl důležité, protože jim chybí štěpící roviny monokrystalického diamantu. Carbonado je podobné neprůhledné mikrokrystalický forma, která se vyskytuje v beztvarých masách. Stejně jako diamant Ballas, i Carbonado postrádá štěpná roviny a jeho měrná hmotnost se velmi liší od 2,9 do 3,5. Bort diamanty, nalezené v Brazílii, Venezuela, a Guyana, jsou nejběžnějším typem průmyslového diamantu. Jsou také polykrystalické a často špatně krystalizují; jsou průsvitné a snadno se štěpí.[6]

Díky své velké tvrdosti a silné molekulární vazbě je broušený diamant fazety a hrany fazet se jeví jako nejplošší a nejostřejší. Kuriózní vedlejší účinek dokonalosti povrchu diamantu je hydrofobie zkombinováno s lipofilie. První vlastnost znamená, že kapka vody umístěná na diamantu vytvoří koherentní kapičku, zatímco ve většině ostatních minerálů by se voda rozšířila a pokryla povrch. Podobně je diamant neobvykle lipofilní, což znamená tuk a olej snadno se sbírejte na povrchu diamantu. Zatímco na jiných minerálech by olej tvořil koherentní kapky, na diamantu by se olej šířil. Tato vlastnost se využívá při použití takzvaných „mazacích per“, která nanášejí mastnou vrstvu na povrch podezřelého diamantový simulátor. Diamantové povrchy jsou hydrofobní když povrchové atomy uhlíku končí atomem vodíku a hydrofilní když povrchové atomy končí atomem kyslíku nebo hydroxylový radikál. Ošetření plyny nebo plazmy obsahující vhodný plyn, při teplotách 450 ° C nebo vyšších, může úplně změnit vlastnosti povrchu.[8] Přirozeně se vyskytující diamanty mají povrch s méně než polovinou jednovrstvého pokrytí kyslíkem, přičemž rovnováha je vodík a chování je mírně hydrofobní. To umožňuje oddělení od ostatních minerálů v dole pomocí takzvaného „mazacího pásu“.[9]

Houževnatost

Diamanty v úhlová bruska čepel

Na rozdíl od tvrdosti, která označuje pouze odolnost proti poškrábání, u diamantů houževnatost nebo houževnatost je spravedlivá až dobrá. Houževnatost souvisí se schopností odolat rozbití při pádech nebo nárazech. Kvůli dokonalému a snadnému štěpení diamantu je náchylný k rozbití. Pokud se diamant rozbije obyčejným kladivem, rozbije se.[10] Houževnatost přírodního diamantu byla měřena jako 2,0 MPa m1/2, což je dobré ve srovnání s jinými drahokamy, jako je akvamarín (modré barvy), ale špatné ve srovnání s většinou technických materiálů. Jako u každého materiálu, i makroskopická geometrie diamantu přispívá k jeho odolnosti proti rozbití. Diamant má rovinu štěpení, a proto je v některých směrech křehčí než jiné. Diamantové frézy používají tento atribut ke štěpení některých kamenů před fazetováním.[11][12]

Ballas a carbonado diamond jsou výjimečné, protože jsou polykrystalické a proto mnohem tvrdší než monokrystalický diamant; používají se pro vrtáky s hlubokým vrtáním a další náročné průmyslové aplikace.[13] Jednotlivé fazetovací tvary diamantů jsou náchylnější k rozbití, a proto mohou být nepojistitelné renomovanými pojišťovacími společnostmi. The brilantní střih drahokamů je navržen speciálně pro snížení pravděpodobnosti rozbití nebo roztříštění.[6]

Pevné cizí krystaly jsou běžně přítomny v diamantu. Jsou to většinou minerály, jako např olivín, granáty, rubín, a mnoho dalších.[14] Tyto a další inkluze, jako jsou vnitřní zlomeniny nebo „peří“, mohou narušit strukturální integritu diamantu. Řezané diamanty, které byly vylepšené zlepšit jejich jasnost prostřednictvím skleněné výplně zlomenin nebo dutin jsou obzvláště křehké, protože sklo neobstojí ultrazvukové čištění nebo ztuhnutí klenotnické pochodně. Při nesprávném zacházení se diamanty naplněné zlomeninami mohou rozbít.[15]

Odolnost proti tlaku

Používá se v tzv diamantová kovadlina experimenty k vytvoření vysokotlakého prostředí, jsou diamanty schopné odolat tlakům přesahujícím 600 gigapascalů (6 milionů atmosféry ).[16]

Optické vlastnosti

Barva a její příčiny

Syntetické diamanty různých barev vypěstované technikou vysokotlaké vysokoteplotní, velikost diamantu je ~ 2 mm
Čisté diamanty, před a po ozáření a žíhání. Ve směru hodinových ručiček od levého dna: 1) počáteční (2 × 2 mm); 2–4) ozářené různými dávkami 2 MeV elektronů; 5–6) ozářené různými dávkami a žíhané při 800 ° C.
Hlavní článek: Krystalografické vady diamantu

Diamanty se vyskytují v různých barvách: černá, hnědá, žlutá, šedá, bílá, modrá, oranžová, fialová až růžová a červená. Barevné diamanty obsahují krystalografické vady, včetně substitučních nečistot a strukturálních vad, které způsobují zbarvení. Teoreticky by čisté diamanty byly průhledné a bezbarvé. Diamanty jsou vědecky rozděleny do dvou hlavních typy a několik podtypů, podle povahy přítomných defektů a toho, jak ovlivňují absorpci světla:[6]

Diamant typu I má dusík (N) atomy jako hlavní nečistota, v koncentraci až 1%. Pokud jsou atomy N v párech nebo větších agregátech, neovlivní to barvu diamantu; to jsou typ Ia. Asi 98% drahokamů diamantů je typu Ia: tyto diamanty patří k Cape série, pojmenovaný podle oblasti bohaté na diamanty, dříve známé jako Cape Province v Jižní Afrika, jejichž vklady jsou převážně typu Ia. Pokud jsou atomy dusíku rozptýleny v krystalu na izolovaných místech (nejsou spárovány nebo seskupeny), dodávají kameni intenzivní žlutý nebo příležitostně hnědý odstín (typ Ib); vzácné kanárské diamanty patří k tomuto typu, což představuje pouze ~ 0,1% známých přírodních diamantů. Syntetický diamant obsahující dusík je obvykle typu Ib. Diamanty typu Ia a Ib absorbují v obou infračervený a ultrafialový oblast elektromagnetické spektrum od 320nm. Mají také charakteristickou fluorescenci a viditelné absorpční spektrum (viz Optické vlastnosti ).[17]

Diamanty typu II mají velmi málo, pokud vůbec nějaké, dusíkaté nečistoty. Čistý (typ IIa) diamant může být zbarven růžově, červeně nebo hnědě kvůli strukturálním anomáliím, které vznikají skrz plastická deformace během růstu krystalů;[18] tyto diamanty jsou vzácné (1,8% drahokamů), ale představují velké procento australských diamantů. Diamanty typu IIb, které tvoří ~ 0,1% drahokamů, jsou obvykle ocelově modré nebo šedé kvůli atomům boru rozptýleným v krystalové matrici. Tyto diamanty jsou také polovodiče, na rozdíl od jiných typů diamantů (viz Elektrické vlastnosti ). Většina modrošedých diamantů pocházejících z Argyle důl Austrálie nejsou typu IIb, ale typu Ia. Tyto diamanty obsahují velké koncentrace vad a nečistot (zejména vodíku a dusíku) a původ jejich barvy je zatím nejistý.[19] Diamanty typu II slabě absorbují v jiné oblasti infračerveného záření (absorpce je dána spíše diamantovou mřížkou než nečistotami) a přenášejí se v ultrafialovém paprsku pod 225 nm, na rozdíl od diamantů typu I. Mají také odlišné fluorescenční charakteristiky, ale žádné rozeznatelné viditelné absorpční spektrum.[17]

Určitý vylepšení diamantů techniky se běžně používají k uměle vytvořené řadě barev, včetně modré, zelené, žluté, červené a černé. Techniky vylepšení barev obvykle zahrnují ozáření, počítaje v to proton bombardování přes cyklotrony; neutron bombardování v hromadách jaderné reaktory; a elektron bombardování Van de Graaffovy generátory. Tyto vysokoenergetické částice fyzicky mění diamanty krystalová mříž, vytlačování atomů uhlíku z místa a produkci barevná centra. Hloubka penetrace barev závisí na technice a jejím trvání a v některých případech může být diamant ponechán radioaktivní do určité míry.[6][20]

Některé ozářené diamanty jsou zcela přírodní; jedním slavným příkladem je Drážďanský zelený diamant.[9] V těchto přírodních kamenech je barva dodávána „popáleninami zářením“ (přirozené ozáření o částice alfa pocházející z uranová ruda ) ve formě malých skvrn, obvykle pouze mikrometry hluboký. Navíc diamanty typu IIa mohou mít své strukturální deformace „opravené“ pomocí vysokotlakého vysokoteplotního procesu (HPHT), při kterém se odstraní většina nebo celá barva diamantu.[21]

Lesk

Rozptyl diamantů s brilantním broušením ukazuje mnoho odrážejících aspektů

The lesk diamantu je popsán jako „adamantin“, což jednoduše znamená diamant. Odrazy na správně broušených fazetách diamantu jsou nezkreslené kvůli jejich plochosti. The index lomu diamantu (měřeno pomocí sodíkové světlo 589,3 nm) je 2,417. Protože má kubickou strukturu, diamant také izotropní. Je vysoká disperze 0,044 (variace indexu lomu ve viditelném spektru) se projevuje vnímatelně oheň broušených diamantů. Tento oheň - bliká hranolové barvy viditelné v průhledných kamenech - je možná nejdůležitější optická vlastnost diamantu z pohledu šperků. Výtečnost nebo množství ohně viděné v kameni je silně ovlivněno volbou diamantový řez a s ním spojené proporce (zejména výška koruny), i když barva těla efektních (tj. neobvyklých) diamantů může do určité míry skrýt svůj oheň.[20]

Více než 20 dalších minerálů má vyšší disperzi (to je rozdíl v indexu lomu pro modré a červené světlo) než diamant, jako například titanit 0.051, andradit 0.057, kasiterit 0.071, titaničitan strontnatý 0.109, sfalerit 0,156, syntetický rutil 0.330, rumělka 0,4 atd. (Viz disperze ).[22] Kombinace disperze s extrémní tvrdostí, opotřebením a chemickou odolností, stejně jako chytrý marketing, však určuje výjimečnou hodnotu diamantu jako drahokamu.

Fluorescence

Fotografie (nahoře) a UV-excitovaný fotoluminiscenční obraz (dole) z desky vyřezané ze syntetického diamantu (šířka ~ 3 mm). Většina žluté barvy a zelené emise pochází z nikl nečistoty.

Exponát diamantů fluorescence, to znamená, že pod ultrafialovým světlem s dlouhou vlnou (365 nm) vyzařují světlo různých barev a intenzit: kameny řady Cape (typ Ia) obvykle fluoreskují modře a tyto kameny mohou také fosforeskovat žlutá, jedinečná vlastnost mezi drahokamy. Další možné barvy s dlouhou vlnovou fluorescencí jsou zelená (obvykle u hnědých kamenů), žlutá, fialová nebo červená (u diamantů typu IIb).[23] U přírodních diamantů je obvykle malá nebo vůbec žádná reakce na ultrafialové záření krátkých vln, ale u syntetických diamantů to platí naopak. Některé přírodní diamanty typu IIb fosforeskují modře po vystavení ultrafialovému záření krátkých vln. U přírodních diamantů fluorescence pod Rentgenové záření je obecně modrobílý, nažloutlý nebo nazelenalý. Některé diamanty, zejména kanadské, nevykazují žádnou fluorescenci.[17][20]

Původ luminiscenčních barev je často nejasný a není ojedinělý. Modrá emise z diamantů typu IIa a IIb je spolehlivě identifikována s dislokacemi přímou korelací emise s dislokacemi v elektronový mikroskop.[24] Modrá emise v diamantu typu Ia však může být způsobena dislokacemi nebo defekty N3 (tři atomy dusíku hraničící s volným místem).[25] Zelená emise v přírodním diamantu je obvykle způsobena středem H3 (dva substituční atomy dusíku oddělené volným místem),[26] zatímco v syntetickém diamantu obvykle pochází z nikl použitý jako katalyzátor (viz obrázek).[17] Oranžová nebo červená emise mohou být způsobeny různými důvody, jedním z nich je centrum pro uvolnění dusíku který je v dostatečném množství přítomen ve všech typech diamantů, dokonce i typu IIb.[27]

Optická absorpce

Diamanty řady Cape (Ia) mají viditelné absorpční spektrum (jak je vidět z přímého vidění spektroskop ) sestávající z jemné čáry ve fialové při 415,5 nm; tato čára je však často neviditelná, dokud diamant není ochlazen na velmi nízké teploty. S tím jsou spojeny slabší čáry při 478 nm, 465 nm, 452 nm, 435 nm a 423 nm. Všechny tyto čáry jsou označeny jako optická centra N3 a N2 a jsou spojena s defektem skládajícím se ze tří atomů dusíku hraničících s volným místem. Ostatní kameny vykazují další pruhy: hnědé, zelené nebo žluté diamanty ukazují pruh zeleně při 504 nm (střed H3, viz výše),[26] někdy doprovázeno dvěma dalšími slabými pásmy při 537 nm a 495 nm (střed H4, velký komplex pravděpodobně zahrnující 4 substituční atomy dusíku a 2 mřížková volná místa).[28] Diamanty typu IIb mohou absorbovat v daleké červené barvě kvůli substitučnímu boru, ale jinak nevykazují žádné pozorovatelné viditelné absorpční spektrum.[6]

Gemologické laboratoře využívají spektrofotometr stroje, které rozlišují přírodní, umělé a barevněvylepšené diamanty. Spektrofotometry analyzují infračervený, viditelné a ultrafialový absorpční a luminiscenční spektra diamantů chlazených tekutý dusík k detekci absorpčních čar sdělovače, které nejsou obvykle rozeznatelné.[6][29]

Elektrické vlastnosti

Diamant je dobrá elektřina izolátor, mající měrný odpor 100 GΩ · m až 1 EΩ · m[30] (1011 do 1018 Ω · m). Většina přírodních modrých diamantů je výjimkou a je polovodiče kvůli substituci bór nečistoty nahrazující atomy uhlíku. Přírodní modré nebo modrošedé diamanty, společné pro Argyle diamantový důl v Austrálie, jsou bohatí na vodík; tyto diamanty nejsou polovodiče a není jasné, zda je vodík skutečně zodpovědný za jejich modrošedou barvu.[19] Přírodní modré diamanty obsahující bór a syntetické diamanty dopovaný s bórem jsou polovodiče typu p. N-typ diamantové filmy jsou reprodukovatelně syntetizovány dopováním fosforem během chemická depozice par.[31] Dioda p-n křižovatky a ultrafialové diody (LED diody, při 235 nm) byly vyrobeny sekvenční depozicí vrstev typu p (dotovaných bórem) a n (typu dopovaných fosforem).[32]

diamant tranzistory byly vyrobeny (pro výzkumné účely).[33] FET s dielektrickými vrstvami SiN a SC-FET byl vyroben.[34]

V dubnu 2004 časopis Příroda hlásil, že pod teplotou supravodivého přechodu 4K., diamant dotovaný bórem syntetizovaný při vysoké teplotě a vysokém tlaku je objemový supravodič.[35] Supravodivost byla později pozorována ve filmech dopovaných bórem pěstovaných různými chemická depozice par techniky a nejvyšší hlášená teplota přechodu (do roku 2009) je 11,4 K.[36][37] (Viz také Kovalentní supravodič # Diamant )

U diamantových nanokrystalů interkalovaných draslíkem byly pozorovány neobvyklé magnetické vlastnosti (stav sklovitého skla).[38] Na rozdíl od paramagnetického hostitelského materiálu odhalilo měření magnetické susceptibility interkalovaného nanodiamantu odlišné feromagnetické chování při 5 K. To se podstatně liší od výsledků interkalace draslíku v grafitu nebo fullerenu C60 a ukazuje, že vazba sp3 podporuje magnetické uspořádání v uhlíku. Měření představila první experimentální důkazy o stavu spin-glassu indukovaného interkalací v nanokrystalickém diamantovém systému.

Tepelná vodivost

Na rozdíl od většiny elektrických izolátorů je diamant dobrým vodičem tepla díky silné kovalentní vazbě a nízkému rozptylu fononů. Bylo naměřeno, že tepelná vodivost přírodního diamantu je asi 2200 W / (m · K), což je pětkrát více než stříbrný, nejvíce tepelně vodivý kov. Monokrystalický syntetický diamant obohatil izotop na 99,9% 12C měl nejvyšší tepelná vodivost jakékoli známé pevné látky při teplotě místnosti: 3320 W / (m · K), i když existují zprávy o vynikající tepelné vodivosti jak v uhlíkových nanotrubičkách, tak v grafenu.[39][40] Protože diamant má tak vysokou tepelnou vodivost, je již používán při výrobě polovodičů křemík a další polovodičové materiály z přehřátí. Při nižších teplotách se vodivost ještě zlepší a dosahuje 41 000 W / (m · K) při 104 K (12C-obohacený diamant).[40]

Vysokou tepelnou vodivost diamantu používají klenotníci a gemologové, kteří mohou používat elektroniku tepelná sonda rozlišit diamanty od jejich napodobenin. Tyto sondy se skládají z dvojice napájených z baterie termistory namontován na špičce z jemné mědi. Jeden termistor funguje jako topné zařízení, zatímco druhý měří teplotu měděného hrotu: pokud je testovaným kamenem diamant, povede tepelnou energii hrotu dostatečně rychle, aby vytvořil měřitelný pokles teploty. Tento test trvá přibližně 2–3 sekundy. Starší sondy však budou oklamány moissanit, krystalická minerální forma karbid křemíku představen v roce 1998 jako alternativa k diamantům, které mají podobnou tepelnou vodivost.[6][29]

Tepelná stabilita

Diamant a grafit jsou dva allotropy uhlíku: čisté formy stejného prvku, které se liší strukturou.

Jelikož je diamant formou uhlíku, oxiduje na vzduchu, pokud se zahřeje na více než 700 ° C.[41] V nepřítomnosti kyslíku, např. v proudu vysoké čistoty argon plyn, diamant lze zahřát až na přibližně 1700 ° C.[42][43] Jeho povrch zčernal, ale lze jej obnovit opětovným leštěním. Při vysokém tlaku (~ 20 GPa) lze diamant zahřát až na 2500 ° C,[44] a zpráva publikovaná v roce 2009 naznačuje, že diamant vydrží teploty 3000 ° C a vyšší.[45]

Diamanty jsou uhlík krystaly které se tvoří hluboko v Zemi za vysokých teplot a extrémních tlaků. Při tlaku povrchového vzduchu (jedna atmosféra) nejsou diamanty tak stabilní jako grafit, a tak je rozpad diamantu termodynamicky příznivé (δH = -2 kJ / mol).[20] Takže na rozdíl od De Beers „reklamní kampaň sahající od roku 1948 do nejméně roku 2013 pod heslem„ Diamant je navždy “,[46] diamanty rozhodně nejsou navždy. Nicméně, vzhledem k velmi velké Kinetická energie bariéra, diamanty jsou metastabilní; nebudou se rozpadat na grafit pod normální podmínky.[20]

Viz také

Reference

  1. ^ Banerjee, Amit; et al. (20. dubna 2018). "Ultralarge elastická deformace diamantu v měřítku". Věda. 360 (6386): 300–302. doi:10.1126 / science.aar4165. PMID  29674589.
  2. ^ Liddell, H.G .; Scott, R. "Adamas". Řecko-anglický lexikon. Projekt Perseus.
  3. ^ A b Blank, V .; Popov, M .; Pivovarov, G .; Lvova, N .; et al. (1998). "Ultrahard a superhard fáze fulleritu C60: srovnání s diamantem na tvrdost a opotřebení". Diamant a související materiály. 7 (2–5): 427. Bibcode:1998DRM ..... 7..427B. CiteSeerX  10.1.1.520.7265. doi:10.1016 / S0925-9635 (97) 00232-X.
  4. ^ Irifune, T .; Kurio, A .; Sakamoto, S .; Inoue, T .; et al. (2003). „Ultratvrdý polykrystalický diamant z grafitu“. Příroda. 421 (6923): 599–600. Bibcode:2003 Natur.421..599I. doi:10.1038 / 421599b. PMID  12571587.
  5. ^ Telling, R. H .; Pickard, C. J .; Payne, M. C .; Field, J. E. (2000). „Teoretická síla a štěpení diamantu“. Dopisy o fyzické kontrole. 84 (22): 5160–5163. Bibcode:2000PhRvL..84,5160T. doi:10.1103 / PhysRevLett.84.5160. PMID  10990892.
  6. ^ A b C d E F G h i Přečtěte si P. G. (1999). Gemmologie (2. vyd.). Butterworth-Heinemann. 52, 53, 275, 276. ISBN  978-0-7506-4411-2.
  7. ^ Pan, Zicheng; Sun, Hong; Zhang, Yi; Chen, Changfeng (2009). „Harder than Diamond: Superior Indentation Strength of Wurtzite BN and Lonsdaleite“. Dopisy o fyzické kontrole. 102 (5): 055503. Bibcode:2009PhRvL.102e5503P. doi:10.1103 / PhysRevLett.102.055503. PMID  19257519. Shrnutí ležel – Physorg.com (12. února 2009).
  8. ^ Hansen, J. O .; Copperthwaite, R. G .; Derry, T. E.; Pratt, J. M. (1989). "Tenziometrická studie diamantových (111) a (110) tváří". Journal of Colloid and Interface Science. 130 (2): 347–358. Bibcode:1989 JCIS..130..347H. doi:10.1016/0021-9797(89)90114-8.
  9. ^ A b Harlow, G. E. (1998). Povaha diamantů. Cambridge University Press. 112, 223. ISBN  978-0-521-62935-5.
  10. ^ Akční laboratoř. „Dokážete zlomit diamant kladivem?“. Citováno 14. června 2020.
  11. ^ Weber, M. J. (2002). Příručka optických materiálů. CRC Press. str. 119. ISBN  978-0-8493-3512-9.
  12. ^ Field, J. E .; Freeman, C. J. (1981). "Vlastnosti pevnosti a lomu diamantu". Filozofický časopis A. 43 (3): 595–618. Bibcode:1981PMagA..43..595F. doi:10.1080/01418618108240397.
  13. ^ Moriyoshi, Y .; Kamo, M .; Setaka, N .; Sato, Y. (1983). "Mikrostruktura přírodního polykrystalického diamantu, karbona a ballasu". Journal of Materials Science. 18 (1): 217–224. Bibcode:1983JMatS..18..217M. doi:10.1007 / BF00543828.
  14. ^ Iakoubovskii, K .; Adriaenssens, G. J. (2002). „Komentář k‚ Důkazu centra defektů Fe v diamantu'" (PDF). Journal of Physics: Condensed Matter. 14 (21): 5459. Bibcode:2002JPCM ... 14.5459I. doi:10.1088/0953-8984/14/21/401.
  15. ^ Taylor, W. R.; Lynton, A.J .; Ridd, M. (1990). „Agregace defektů dusíku u některých australasianských diamantů: Časově-teplotní omezení ve zdrojových oblastech trubkových a naplavených diamantů“ (PDF). Americký mineralog. 75: 1290–1310.
  16. ^ Wogan, Tim (2. listopadu 2012). „Vylepšená buňka diamantové kovadliny umožňuje vyšší tlaky“. Svět fyziky. Citováno 8. prosince 2014.
  17. ^ A b C d Walker, J. (1979). "Optická absorpce a luminiscence v diamantu" (PDF). Rep. Prog. Phys. 42 (10): 1605–1659. Bibcode:1979RPPh ... 42,1605W. CiteSeerX  10.1.1.467.443. doi:10.1088/0034-4885/42/10/001.
  18. ^ Hounsome, L. S .; Jones, R .; Martineau, P .; Fisher, D .; et al. (2006). "Původ hnědého zbarvení v diamantu". Phys. Rev. B. 73 (12): 125203. Bibcode:2006PhRvB..73l5203H. doi:10.1103 / PhysRevB.73.125203.
  19. ^ A b Iakoubovskii, K .; Adriaenssens, G. J. (2002). „Optická charakterizace přírodních diamantů Argyle“ (PDF). Diamant a související materiály. 11 (1): 125. Bibcode:2002DRM .... 11..125I. doi:10.1016 / S0925-9635 (01) 00533-7.
  20. ^ A b C d E Webster, R .; Přečtěte si P. G. (2000). Drahokamy: jejich zdroje, popisy a identifikace. Butterworth-Heinemann. ISBN  978-0-7506-1674-4.
  21. ^ Collins, A. T .; Connor, A .; Ly, C .; Shareef, A .; Spear, P. M. (2005). "Vysokoteplotní žíhání optických center v diamantu typu I". Journal of Applied Physics. 97 (8): 083517–083517–10. Bibcode:2005JAP .... 97h3517C. doi:10.1063/1.1866501.
  22. ^ Schumann, Walter (2009). Drahé kameny světa (4. vydání). Sterling. str. 42. ISBN  978-1-4027-6829-3.
  23. ^ Eaton-Magaña, S .; Post, J. E .; Heaney, P. J .; Freitas, J .; et al. (2008). "Použití fosforescence jako otisku prstu pro Naději a další modré diamanty". Geologie (abstraktní). 36 (1): 83–86. Bibcode:2008Geo .... 36 ... 83E. doi:10.1130 / G24170A.1.
  24. ^ Hanley, P.L .; Kiflawi, I .; Lang, A. R. (1977). „O topograficky identifikovatelných zdrojích katodoluminiscence v přírodních diamantech“. Phil. Trans. Roy. Soc. A. 284 (1324): 329–368. Bibcode:1977RSPTA.284..329H. doi:10.1098 / rsta.1977.0012. JSTOR  74759.
  25. ^ van Wyk, J. A. (1982). „Hyperjemná interakce uhlíku-12 s jedinečným uhlíkem P2 (ESR) nebo N3 (optického) středu v diamantu“. Journal of Physics C: Solid State Physics. 15 (27): L981 – L983. Bibcode:1982JPhC ... 15L.981V. doi:10.1088/0022-3719/15/27/007.
  26. ^ A b Davies, G .; Nazaré, M. H .; Hamer, M.F. (1976). „Vibrační pásmo H3 (2,463 eV) v diamantu: účinky jednoosého napětí a zhroucení zrcadlové symetrie“. Sborník královské společnosti A. 351 (1665): 245. Bibcode:1976RSPSA.351..245D. doi:10.1098 / rspa.1976.0140.
  27. ^ Freitas, J. A .; Klein, P. B .; Collins, A. T. (1993). "Pozorování nového vibronového luminiscenčního pásma v polovodičovém diamantu". Elektronické dopisy. 29 (19): 1727–1728. doi:10.1049 / el: 19931148.
  28. ^ de Sa, E. S .; Davies, G. (1977). „Studie jednoosého namáhání vibračních pásem 2,498 eV (H4), 2,417 eV a 2,536 eV v diamantu“. Sborník královské společnosti A. 357 (1689): 231–251. Bibcode:1977RSPSA.357..231S. doi:10.1098 / rspa.1977.0165.
  29. ^ A b O'Donoghue, M .; Joyner, L. (2003). Identifikace drahých kamenů. Butterworth-Heinemann. ISBN  978-0-7506-5512-5.
  30. ^ Fromentin, Sarah (2004). Glenn Elert (ed.). "Odpor uhlíku, diamant". Fyzikální přehled. Citováno 30. prosince 2011.
  31. ^ Koizumi, S .; Nebel, C.E .; Nesladek, M. (2008). Fyzika a aplikace CVD Diamond. Wiley VCH. 200–240. ISBN  978-3-527-40801-6.
  32. ^ Koizumi, S .; Watanabe, K .; Hasegawa, M .; Kanda, H. (2001). "Ultrafialové emise z křižovatky Diamond pn". Věda. 292 (5523): 1899–1901. Bibcode:2001Sci ... 292,1899K. doi:10.1126 / science.1060258. PMID  11397942.
  33. ^ Geis, M.W. (1991). "Výkon a výroba diamantových tranzistorů". Sborník IEEE. 79 (5): 669–676. doi:10.1109/5.90131.
  34. ^ Wang, W .; Hu, C .; Li, S. Y .; Li, F. N .; Liu, Z. C .; Wang, F .; Fu, J .; Wang, H. X. (2015). "Diamantové tranzistory s efektem pole Zr Gate se SiNX Dielektrické vrstvy ". Journal of Nanomaterials. 2015: 1–5. doi:10.1155/2015/124640.
  35. ^ Ekimov, E .; Sidorov, V. A .; Bauer, E. D .; Mel'nik, N. N .; et al. (2004). „Supravodivost v diamantu“ (PDF). Příroda. 428 (6982): 542–545. arXiv:cond-mat / 0404156. Bibcode:2004 Natur.428..542E. doi:10.1038 / nature02449. PMID  15057827.
  36. ^ Takano, Y .; Takenouchi, T .; Ishii, S .; Ueda, S .; et al. (2007). Msgstr "Supravodivé vlastnosti homoepitaxního diamantu CVD". Diamant a související materiály. 16 (4–7): 911–914. Bibcode:2007DRM .... 16..911T. doi:10.1016 / j.diamond.2007.01.027.
  37. ^ Takano, Y. (2006). "Přehled". Sci. Technol. Adv. Mater. 7 (S1): S1. Bibcode:2006STAdM ... 7S ... 1T. doi:10.1016 / j.stam.2006.06.003.
  38. ^ Kozlov, M.E .; Uwe, H .; Tokumoto, M .; Yakushi, K. (1997). "Chování točícího se skla nanokrystalického diamantu interkalovaného s draslíkem". Journal of Physics: Condensed Matter. 9 (39): 8325. Bibcode:1997JPCM .... 9,8325 tis. doi:10.1088/0953-8984/9/39/016.
  39. ^ Anthony, T. R.; Banholzer, W. F .; Fleischer, J. F .; Wei, Lanhua; et al. (1990). „Tepelná vodivost izotopově obohacená 12C diamant ". Fyzický přehled B. 42 (2): 1104–1111. Bibcode:1990PhRvB..42.1104A. doi:10.1103 / PhysRevB.42.1104. PMID  9995514.
  40. ^ A b Wei, Lanhua; Kuo, P. K .; Thomas, R.L .; Anthony, T. R.; Banholzer, W. F. (1993). "Tepelná vodivost izotopově modifikovaného monokrystalického diamantu". Dopisy o fyzické kontrole. 70 (24): 3764–3767. Bibcode:1993PhRvL..70,3764 W.. doi:10.1103 / PhysRevLett.70.3764. PMID  10053956.
  41. ^ John, P .; Polwart, N .; Troupe, C.E .; Wilson, J. I. B. (2002). Msgstr "Oxidace (100) diamantu s texturou". Diamant a související materiály. 11 (3–6): 861. Bibcode:2002DRM .... 11..861J. doi:10.1016 / S0925-9635 (01) 00673-2.
  42. ^ Davies, G .; Evans, T. (1972). "Grafitizace diamantu při nulovém tlaku a při vysokém tlaku". Sborník královské společnosti A. 328 (1574): 413–427. Bibcode:1972RSPSA.328..413D. doi:10.1098 / rspa.1972.0086.
  43. ^ Evans, T .; James, P. F. (1964). „Studie přeměny diamantu na grafit“. Sborník královské společnosti A. 277 (1369): 260–269. Bibcode:1964RSPSA.277..260E. doi:10.1098 / rspa.1964.0020.
  44. ^ Evans, T .; Qi, Z .; Maguire, J. (1981). "Fáze agregace dusíku v diamantu". Journal of Physics C: Solid State Physics. 14 (12): L379. Bibcode:1981JPhC ... 14L.379E. doi:10.1088/0022-3719/14/12/005.
  45. ^ Shatskiy, A .; Yamazaki, D .; Morard, G .; Cooray, T .; Matsuzaki, T .; Higo, Y .; Funakoshi, K .; Sumiya, H .; Ito, E .; Katsura, T. (2009). „Diamantový ohřívač dotovaný bórem a jeho aplikace na velkoobjemové, vysokotlaké a vysokoteplotní experimenty“. Rev. Sci. Instrum. 80 (2): 023907–023907–7. Bibcode:2009RScI ... 80b3907S. doi:10.1063/1.3084209. PMID  19256662.
  46. ^ Sullivan, Courtney (3. května 2013). „Jak se diamanty navždy staly“. New York Times. Citováno 3. prosince 2014.

Další čtení

  • Pagel-Theisen, Verena. (2001). Diamantové třídění ABC: Příručka (9. vydání), str. 84–85. Rubin & Son n.v .; Antverpy, Belgie. ISBN  3-9800434-6-0
  • Webster, Robert a Jobbins, E. Allan (vyd.). (1998). Kompendium Gemmologa, str. 21, 25, 31. St Edmundsbury Press Ltd, Bury St Edwards. ISBN  0-7198-0291-1

externí odkazy