2.5　金刚石的物理性质

2.5.1　金刚石的热学性质

（1）导热性[2，3]

金刚石具有很高的热导率。在不同的温度下，金刚石的热导率是不同的。在293K，Ⅰ型金刚石热导率为9W/（cm·K），Ⅱ型金刚石热导率为24W/（cm·K），其中Ⅱa型金刚石热导率极高，最高时能达到120W/（cm·K）。这些值与热导率最高时的铜[4W/（cm·K）]相比还是具有很大的优势的。在一定的温度范围内，Ⅱ型金刚石导电性比铜高5倍，所以Ⅱ型金刚石被用于某些仪器中来使发热元件散热。铜是人们熟悉的、导电性很好的物质之一，但是在40K以后，它的导电性能远远落后于天然金刚石和人造金刚石。

金刚石的导热性具有各向异性的特点，晶体中等温面的形状是旋转椭圆体，或者可能是三周椭圆体[3]。

（2）比热容

在300K时，Cp和CV均为6.195J/mol。有效德拜温度在273～1100K范围内为QD=（1860±10）K；在0K时，QD=（2220±20）K。金刚石的比热容随温度的变化会有所不同[2]。

（3）热膨胀性

金刚石的热膨胀系数（线膨胀系数），随温度不同而异，以下列出了不同温度下金刚石的线膨胀系数[2]：

293K时，α=（0.8±0.1）×10-6K-1

193K时，α=（0.4±0.1）×10-6K-1

400～1200K时，α=（1.5～4.8）×10-6K-1

420～1200K时，服从格吕奈森斯（Gruneisens）定律。

（4）热稳定性

金刚石熔化温度为（3973±100）K。

真空或惰性气氛下当加热到某一高温时，金刚石会发生石墨化现象，随着温度升高，石墨化速度加快。例如，在1773K发现表面石墨化，1973K左右开始整个晶体迅速石墨化。在2373K时，一颗0.1克拉的八面体钻石在3min内全部化为灰烬。

当存在少量氧气时，石墨化在较低温度（1273K以下）就开始了。一般认为在1673K以下的石墨化实际上是氧的作用。

过渡金属的存在会加速石墨化过程，金刚石晶体内部的包裹体，晶体边界部位的杂质缺陷都促进石墨化的进程，从而使金刚石的热稳定性能大大降低。

2.5.2　金刚石的光学性质[14～18]

（1）颜色

纯净的金刚石晶体是无色、透明的，但是一般来讲，金刚石晶体会因为其中的杂质种类和含量以及晶体生长过程中所形成的内部缺陷而呈现不同的颜色，最常见的以淡黄色为主，其次还有粉红色、橙色、黄色、绿色、紫色、褐色、棕色、灰色和黑色等。蓝色、玫瑰色和紫色的金刚石比较少见。

产生各种颜色的原因很复杂，杂质元素、杂质金属离子、氢杂质、包裹体等都可使金刚石产生不同的颜色。另外，色心、塑性变形引起的位错和缺陷等其他原因均可导致金刚石着色。

纯净的不含杂质和缺陷的无色金刚石是因为其带隙的能量间隔大于可见光能量而导致可见光全部被透过。Ⅰb型金刚石呈现黄色是由于N取代C后使紫外光到绿光范围内的光被吸收；Ⅱb型金刚石呈现蓝色是由于B取代C之后吸收从红色到绿色边缘范围内的光。

金刚石中的杂质金属离子、包裹体、氢杂质等都能使金刚石致色。有些金刚石中存在杂质金属离子的发色团，通过光谱分析可以确定，金刚石里的发色团有Fe、Ti、Cu、Ni、Cr及一系列其他化学元素，例如有些金刚石呈绿色就是因为含有亚铁杂质。有些金刚石颜色的产生是因为含有微小杂质包裹体。其颜色为灰白色及近乎黑色，是因为含有大量SiC微小包裹体，有些金刚石中含有许多石墨包裹体，从而使金刚石显现黑色。有些金刚石中由于氢的存在而使其呈现颜色。Ⅱa型粉红色金刚石含有氢。另外，澳大利亚也有些天然致色、无导电性的灰蓝色金刚石，其颜色也是含氢的结果。

另外，塑性形变形成的位错、缺陷及其他原因对光的吸收、反射也会使金刚石致色。

金刚石的颜色一般比较稳定，普通的物理化学反应作用不会使其发生颜色变化。但在电子、中子或γ射线的轰击下可以使无色透明的金刚石染上蓝、褐、黄等颜色。

在合成金刚石的过程中，研究金刚石的颜色有很大的意义，因为它在一定程度上反映了晶体内部的杂质种类和存在状态，这些有利于改进合成金刚石的生长环境和对所用原材料的选择。

（2）光泽

金刚石出类拔萃般坚硬、平整光亮的晶面或解理面对于白光的反射作用特别强烈，而这种非常特征的反光作用就叫作金刚光泽。金刚石的光泽按其强弱分为：强金刚光泽、金刚光泽和弱金刚光泽。另外，也有少量金刚石呈现油脂光泽或金属光泽。

具有理想晶面的晶体的光泽强度由反射比R来决定。R=-（n-1）2/（n+1）2。将钠光的折射率数值n=2.417代入计算，那么金刚石的反射比值R=0.172。这说明，落到金刚石上的光流中，仅有17.2%的光从它的晶面上反射掉。

金刚石晶体的表面特征对光泽有很大的影响。晶面完好而光滑的金刚石有强烈的光泽。当金刚石表面被侵蚀或腐蚀时，金刚石晶体表面的光泽强度和特征会发生变化，如果腐蚀较为强烈，那么金刚石晶面会严重损坏，以至于晶体表面变得暗淡无光。

（3）折射率和色散

金刚石具有很高的色散——0.062，这表示它的折射率强烈地随入射光波波长λ而改变。例如，对于λ=546.1nm的Hg绿光，它的折射率n=2.4237；对于λ=654.28nm的C线，折射率nC=2.4099；对于λ=589.29nm的D线，nD=2.4173；对于λ=486.13nm的F线，nF=2.4355；对于λ=226.5nm的紫外线，它的折射率n=2.7151。

金刚石与其他几种材料的折射率和色散值的对比如表2-6所示。

（4）发光性

在紫外线、阴极射线、X射线和γ射线作用下，当受到快速粒子辐照时，以及在加热和电荷电势差的影响下，在金刚石中间经常见到会发光的晶体。金刚石在不同的射线激发作用下会发出在强度和光谱组成方面各不相同的光，如表2-7所示。在一种激发形式作用下发光的金刚石用另一种激发形式作用不一定使其发光。另外，金刚石的发光情况也与它的杂质含量和含有结晶缺陷的情况有关。

（5）吸收光谱

理想的金刚石是典型的均质晶体，在红外吸收光谱中应该只在3～6μm区域内观察到吸收，光谱的可见部分的光波应该是完全透明的。但金刚石晶体结构中的杂质和晶体缺陷影响了它在可见光区的吸收。晶体缺陷影响了光致发光的光的强度。

人造金刚石晶体在荧光显微镜下观察，有的具有荧光现象，有的没有；有的较强，有的较弱。对于具有荧光现象的金刚石，一般来说，完整单晶体的荧光较弱，而条状、树枝状晶体则较强。这是金刚石中的杂质通过晶体内部缺陷的反映。

（6）异常干涉色

金刚石为等轴晶系矿物，在正交偏光显微镜下的干涉色为黑色。但实际上，很多金刚石的干涉色呈灰色、黄色、粉红色和褐色等，也有少数呈现紫红色条纹。更特殊的金刚石干涉色级别几乎不随厚度的变化而变化，旋转载物台时，其明暗程度也不发生变化，因此观察金刚石干涉色时，可以直接拿金刚石晶体置于荧光显微镜下观察，而不用加工成矿物薄片。另外需指出的是，异常干涉色呈紫红色的金刚石硬而脆，加工时容易损坏。

2.5.3　金刚石的电磁性质

（1）电导性

纯净的金刚石是绝缘体，电阻率的理论计算值应为1070W·cm的数量级。但由于晶体中或多或少的有杂质存在而大大降低了它的电阻率，绝大多数金刚石晶体的电阻率在1014～1016W·cm范围内。含硼的Ⅱb型金刚石电阻率较低，在25～108 W·cm范围，属于半导体。这种半导体性质的金刚石在电子工业中可用于制造晶体三极管、计数器和其他仪器的部件，相比较工业中广泛使用的锗和硅晶体，它具有许多优点。

（2）光电导性

当用波长为210～300nm的紫外线照射金刚石时，发现有光电流。当用红外线和紫外线同时照射时，光电导增大近两倍。不同类型金刚石的最大光电导是在不同波长的射线照射下产生的。在同样条件下，Ⅱ型金刚石的光电流比Ⅰ型金刚石中所激发的光电流大几个数量级。

（3）计数导电性

在用快速粒子冲击光电导体时，在光电导体外电路中出现了脉冲电流。这种性质可利用在电导性晶体计数器中和闪烁计数器中。

研究表明，具有高光电导率的Ⅱ型金刚石可以在电导性计数器中使用。Ⅰ型金刚石也有这样的特性，但是它们的计数机理和Ⅱ型金刚石不同。金刚石也可以用在闪烁计数器中，因为它在放射性粒子作用下具有发光的特性。

（4）电子顺磁共振

具有理想结构的金刚石晶体不应给出任何电子顺磁共振谱。在天然金刚石的晶体中，某些杂质元素造成了晶体缺陷，引起了顺磁吸收。

根据测量，在Ⅰ型金刚石晶体中处于顺磁状态的氮的浓度达4×1020at/cm3或5×1018at/cm3时，不论氮以原子分散或以层片状方式取代金刚石晶体中的碳原子后，晶体都具有顺磁共振吸收。

1962年曾有人报道过人造金刚石的电子顺磁共振谱的研究结果。他们认为，由于晶体中存在处于分散状态的顺磁氮，而引起了人造金刚石的顺磁共振吸收。

（5）磁性

理想的金刚石属于抗磁质，其比磁化学数为-0.49×106cm3/g。实际的金刚石晶体中往往存在磁性包裹体而具有磁性。而在人工合成金刚石中，由于合成过程中使用了Ni-Mn、Ni-Mn-Co、Ni-Fe-Mn等催化剂，而导致人造金刚石晶体中混杂这些金属或合金相使其磁性增强。所以说，人造金刚石是属于弱和中等磁性的矿物。