苑博士講鉆石：鉆石的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)

發(fā)布時間：

2021-12-29 00:00

鉆石的宏觀結(jié)構(gòu)

利用北京正負電子對撞機的同步輻射裝置，先將電子束以直線加速器加速至高能電子束流，在周長240.4米的儲存環(huán)內(nèi)做高速循環(huán)運動，速度達到近光速，沿切線方向把同步輻射X光引到外側(cè)的試驗站，鉆石樣品位于光源與底片之間，同步輻射白光入射線水平射入樣品，入射射線與樣品和底片中心位于同一直線內(nèi)，底片垂直入射線，白光形貌可以在幾秒鐘內(nèi)獲得多個晶面組的衍襯像。但同步輻射設(shè)備無法輕易使用，亦可利用小型X光機同樣照射樣品，但需數(shù)十分鐘感光，在底片上同樣得到多個晶面組的衍襯像，各個晶面組的衍襯像以主晶面的方向有序排列，排列對稱程度顯示該刻面與主晶面角度差異程度，做首飾不必考慮主晶面方向，但工業(yè)上使用時經(jīng)常要確定其主晶面方向，如（100）面為方形結(jié)構(gòu)、（111）面為三角形/六角形結(jié)構(gòu)、（110）面為橢圓形結(jié)構(gòu)等。如下圖：

主晶面（100）面正確角度主晶面（100）面稍偏角度，可接受

主晶面（111）衍襯像以三個對稱圓形排列，正確角度主晶面（111）面稍偏角度，可接受

左圖為天然褐色金剛石之主晶面（110）面方向的多組晶面衍襯像，以對稱橢圓形排列的正確角度，褐色金剛石生長完成后，在地底下受到極大壓力，右邊兩個放大圖形為該兩個晶面組被擠壓造成塑性變形而破碎。

鉆石的微觀結(jié)構(gòu)

利用透射電子顯微鏡可將鉆石放大數(shù)萬至百萬倍，可見到碳原子像。制作樣品非常困難，首先將鉆石磨至10-30微米的薄片，后經(jīng)氬離子減薄至中央穿透，四周漸厚至2000Å的厚度，放在透射電子顯微鏡可以看到金剛石薄片中的微結(jié)構(gòu)缺陷、原子晶格像及原子像。

氬離子減薄后的薄片樣品，左邊黑色為穿透部分，邊緣彩色為漸厚部分

金剛石晶格條紋像[111]和原子像，每一圓點為一個碳原子，在透射電子顯微鏡下被放大100萬倍

透射電子顯微鏡特征：

觀察鉆石中極微小的雜質(zhì)，需將鉆石減薄至數(shù)微米厚度，利用透射電子顯微鏡放大千、萬至百萬倍觀察。使用北京大學物理研究所TECNAI F30場發(fā)射透射電鏡（FEI）對培育鉆石在300KV下完成測試。結(jié)果如下圖顯示，CVD培育鉆石在生長速率較快時，極易有碳原子沒有轉(zhuǎn)化為SP3結(jié)構(gòu)的金剛石，而以SP1、SP2碳或石墨的雜質(zhì)狀態(tài)留存在生長的CVD培育鉆石中，因為體積極小，只能用千至萬倍的TEM放大觀察, 可見黑色的石墨包裹體、等傾紋及位錯。