Алмаз

(тюрк. алмас, от греч. adamas - несокрушимый).

Аллотропная модификация углерода, кристаллическая решетка которой относится к кубической сингонии (см. ниже). Алмаз стабилен при высоких давлениях и метастабилен при нормальных условиях, хотя и может при них существовать неопределенно долго. При нагревании он переходит в графит (температура перехода составляет для синтетических микропорошков 450-500, для кристаллов размерами от 0,6 до 1 мм - 600-700 и зависит от совершенства структуры, количества и характера примесей). Принято считать, что кристаллы природного алмаза сгорают в воздухе при температуре свыше 850, в потоке О₂ - свыше 750.

Атомы углерода в структуре алмаза образуют четыре ковалентные связи с валентным углом (направление связей совпадает с осями L₃ тетраэдра). Среднее значение постоянной решетки а=3,566880,00009 (при температуре 25 и давлении 1 атм) и возрастает при нагревании. Элементарная ячейка алмаза образована атомами, расположенными по вершинам куба, в центре его граней (рис. 1, атомы 1, 5, 7) и в центрах четырех несмежных октантов куба (атомы 6, 4, 2, 8). Каждый атом С находится в центре тетраэдра, вершинами которого служит четыре ближайших атома. В природе алмаз встречается в виде отдельных кристаллов, сростков, агрегатов (бесцветных или окрашенных), а также поликристаллических образований (баллас, карбонадо). Физические и механические свойства, окраска, скульптура поверхности обусловлены прежде всего дефектами кристаллической решетки, наличием примесей и включений, т. е. в конечном счете условиями роста кристаллов.

Наиболее распространенная гипотеза генезиса природных алмазов утверждает их глубинное (магматическое) происхождение при давлениях свыше 4 ГПа и температурах более 1000. Однако включения кальцита, кварца, барита, биотита, обнаруженные в алмазе, ставят под сомнение единственность этой гипотезы.

Теоретические предпосылки получения алмазов искусственным путем были научно обоснованы в конце 30-х гг. 20 в. Синтетический алмаз впервые воспроизводимо получен в Швеции (1953), затем в США (1954) и СССР (1959). Наиболее распространен метод синтеза алмаза из графита при высоких статических давлениях. Синтез происходит в области термодинамической устойчивости алмаза, т. е. при давлениях 4 -10 ГПа и температурах 1000-2500, в присутствии металлов, выполняющих роль растворителей-катализаторов, в течение времени от 10-15 с до 1 ч (размеры получаемых монокристаллов от 0,1 до 1,5 мм по ребру октаэдра; более крупные алмазы - 8-10 мм - выращивают на затравку свыше 100 ч). По истечении времени синтеза для предотвращения обратного перехода алмаза в графит температуру резко снижают, и новая фаза фиксируется. Синтетические алмазы образуются также при действии динамического высокого давления около 30 ГПа и температуры 3000 и выше (размеры получаемых этим методом алмазов - 10-30 мкм). В метастабильных для алмаза условиях при давлениях от нескольких сотен ГПа до нескольких Па и температурах 600-800 синтез ведут из газовой фазы (метан, пропан, двуокись углерода и т. п.), как правило на затравку (эпитаксиальное наращивание). При статическом давлении более 11 - 13 ГПа и температуре выше 2500 возможно превращение графит - алмаз без введения активирующих добавок, а также получение алмаза из расплава углерода (рис. 2). Синтетические алмазы выпускают в виде микропорошков, монокристаллов, поликристаллических структур (баллас, карбонадо), алмазных спеков и пластин с металлической подложкой.

Первая классификация алмазов, в основу которой положено содержание в нем азота, была предложена в конце 30-х гг. и уточнена в конце 50-х гг. В соответствии с этой классификацией большинство алмазов (~98%) относится к типу I - содержание азота до 0,2%. К типу II принадлежат алмазы, содержащие не более 10^-3% азота. Алмазы I и II типов подразделяются на подгруппы. Алмазы подгруппы Iа содержат азот в непарамагнитной форме, А-дефекты и другие азотсодержащие дефекты сложного строения. Алмазы подгруппы Iб содержат одиночные замещающие атомы азота. Алмазы подгруппы Iа прозрачны до длин волн ~320-330 мкм, 1б - в области 500-550 мкм и имеют максимум поглощения при = 270 мкм. Алмазы II типа также делятся на две подгруппы: IIа (безазотные алмазы) и IIб (алмазы, содержащие примеси, ответственные за полупроводниковые свойства, в частности В). Выделяют также алмазы типа III, к которому относят алмазы, характеризующиеся наличием В₁-дефектов. Алмазы этого типа поглощают излучение в области ~225-240 мкм. Алмазы I и III типов характеризует поглощение ИК-излучения в области ~1-11 мкм.

Физические свойства алмаза связаны с его структурой и содержанием примесей, количество которых в природных алмазах достигает 5%, в синтетических 8-10%. В качестве структурных примесей достоверно зафиксированы N, В, Ni. В процессе синтеза можно легировать алмаз путем введения в шихту различных добавок. Спайность граней алмаза по (111) совершенная. Критическое напряжение скалывания по (111) -10,50,1 ГПа, по (100) -13,50,1 ГПа. Предел прочности на сжатие кристаллов синтетических алмазов без видимых включений 17-17,5 ГПа. Алмаз имеет максимальную среди всех известных материалов твердость, которая превышает твердость корунда в 150 раз. Кристалл алмаза анизотропен, для разных граней его твердость различна (для грани (111) природного алмаза - 110 - 135 ГПа, для (100) - 56-60 ГПа; для грани (111) синтетического алмаза - 91-101 ГПа, для (100) - 60-68 ГПа].

Кристалл алмаза, имеющий минимальное количество примесей (алмаз чистой воды), прозрачен для излучения в видимой части спектра и встречается редко. Чаще всего алмазы окрашены в различные цвета - от желтого до серого и черного. Синтетические алмазы обычно зеленые. Введение примесей в исходную шихту позволяет изменять цвет синтетического алмаза.

Теплопроводность некоторых алмазов при комнатной температуре выше теплопроводности меди в 4 раза; средние ее значения при 180 (Вт/мК) для алмазов типа Iа - 800, для IIа - 1250, для IIб-1260, для синтетических монокристаллов - 660, поликристаллов - 400. Удельное электрическое сопротивление алмазов типа IIб (полупроводниковые) составляет 1 - 10s Омсм, алмазы других типов - до 1010 Омсм. Показатель преломления в пределах одного кристалла может быть различен; среднее значение его для природных алмазов 2,4165, для синтетических алмазов 2,4199 (для кристалла октаэдрической формы). Угловая дисперсия для природных и синтетических алмазов одинакова - 0,063. Отражательная способность 0,172. Кристаллы алмаза практически всегда обладают двулучепреломлением - вследствие различных деформаций кристаллов и особенностей текстуры.

Как правило, кристаллический алмаз люминесцирует под действием УФ-излучения, рентгеновского и гамма-излучения, а также пучков быстрых частиц.

Алмазы применяют в различных инструментах для обработки цветных металлов и сплавов, в буровой технике, камнеобработке, ювелирной промышленности. В физике и электронике используют полупроводниковые свойства алмаза, в аппаратах высокого давления - его твердость и прозрачность. В решетке типа алмаза кристаллизуются Si, Ge, серое олово, а также ряд соединений (CuF, BeS, CuCl, ZnS - решетка типа цинковой обманки).