金刚石表面功能化及其电子结构性质研究(2)
但石墨转化成金刚石需要比较苛刻的条件， 要在 2000℃的超高温和 5.5 万个大气压的高压下。
1954 年，美国GE 公司利用高温高压催化法研制成功了世界上第一个人造金刚石，为工
业生产金刚石磨料做出了巨大贡献。不久之后，杜邦公司利用了爆炸法，得到了尺寸约为 10
微米的金刚石。而为了祖国的繁荣富强，我国在 1960 年 10 月时，作为国家重点科研项目下
达了人造金刚石的研制任务，也终于在 1963 年 12 月 6 日，成功研制了我国第一颗人造金刚石。
由于高压法生产的金刚石大多是颗粒状或者粉末状，生产大颗粒的金刚石需要的成本很
高，限制了金刚石的应用，所以人们开始研究在低压下制备金刚石的方法。最常用的就是在
低温低压下利用化学气相沉积CVD 法制备金刚石薄膜， 此方法也在一直以来收到学者们的广泛研究[1,2]
。目前，发展出了多种 CVD制备金刚石的方法。其中有热灯丝 CVD（HFCVD）；
微波等离子体 CVD（MWPCVD）；直流等离子体 CVD（DC-CVD）；直流电弧等离子体射流 CVD（DC-jet）；电子增强 CVD（EACVD）等方法。其中热灯丝CVD 法可以用来生长大
面积金刚石薄膜，其优点是设备简单，容易掌握，但生长速率较慢，而且均匀性较差。微波
等离子体 CVD法易于生长高质量金刚石薄膜，但其生长速率较慢，适用于金刚石膜的外延生
长和掺杂。电子增强 CVD 法生长速率较快，可用于生长大面积金刚石厚膜，缺点是均匀性较差，膜质量也较低。
1.2 金刚石的结构
我们都知道甲烷（CH4）的结构，典型的正四面体。与甲烷类似的地方是，在金刚石结
构中，每个碳原子与相邻的 4 个碳原子形成正四面体结构，其中 4 个碳原子位于正四面体的
顶点，1 个碳原子位于正四面体的中心。金刚石 C-C 之间的键是共价键，因为共价键难以变
形，C-C 键能很大，结合很强，所以金刚石的硬度很大，熔点很高。因为其所有价电子都无
法自由移动，被束缚在共价键区域，所以，金刚石不导电。与金刚石结构一样的晶体结构在
晶体学中就被叫做金刚石结构，具有金刚石结构的晶体有硅、锗等。以上三个图均为金刚石的晶体结构图，上两种是基于金刚石晶体结构，即面心立方晶胞而绘成，第三个图是基于C 的4 个单键所画出来的正四面体的外观。其实这三个图的结构是
一样的。金刚石与石墨同样是由碳原子构成，其互为同素异形体。虽然都是由碳原子构成，但由
于碳原子的结合方式不同， 导致了它们截然不同的性质。 石墨中的碳原子在一个平面上以 SP2
杂化的形式形成共价键，结合成蜂窝状结构，层与层之间以较弱的范德华力结合。所以相比
金刚石而言，其同一层内碳原子之间的结合力更强，所以其熔点更高。但由于其层与层之间结合力很弱，导致其硬度很低[3]
。除了以上这些结构，金刚石还有许多同素异形体，因为它们碳原子的结合方式不同展现
出很多不同的性质。
1.3 金刚石的特性
1.3.1 力学性能
金刚石具有极高的强度、韧性和弹性模量，由于其 C-C 共价键之间的结合非常稳定，因
此表现出极高的硬度和稳定性。由于金刚石各向异性，其各晶面的硬度、耐磨性都不同，我
们利用它的这种性质来制作金刚石磨具。
1.3.2 热学性能
金刚石是热的良导体，其热导率在136.16w/(m·k)左右。其中Ⅱa型金刚石热导率最高，
但是其热导率随着温度的有着很大的依赖关系，随着温度的上升，其热导率急剧下降，在液
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