2. Морфология и габитус алмаза

Кристаллы алмаза всегда содержат различные дефекты кристаллической структуры (точечные, линейные дефекты, включения, границы субзерен и тп.). Такие дефекты в значительной степени определяют физические свойства кристаллов.

Кристаллы алмаза имеют форму октаэдра(см. рисунок 2.1), ромбододекаэдра, куба и тетраэдра(см. рисунок 2.2) с гладкими и пластинчато-ступенчатыми гранями или округлыми поверхностями, на которых развиты разнообразные акцессории. Характерны уплощённые, удлинённые и сложноискажённые кристаллы простой и комбинированной форм, двойники срастания и прорастания по шпинелевому закону, параллельные и произвольно ориентированные сростки.

Рисунок 2.1 - Кристаллы алмаза октаэдрического облика

Характерные формы: {111}, {100} и {110}. Грани кристаллов часто бывают представлены выпуклыми и неровными, иногда разъеденными поверхностями. Наблюдаются двойники срастания по (111), реже по (100).

Разновидности алмаза представляют собой поликристаллические образования: борт — сростки многочисленных мелких огранённых кристаллов и зёрен неправильной формы, серого и чёрного цвета; баллас — сферолиты радиально-лучистого строения; карбонадо — скрытокристаллические, плотные, с эмалевидное поверхностью или шлакоподобные пористые образования, состоящие преимущественно из субмикроскопических (около 20 мкм) зёрен алмаза, тесно сросшихся друг с другом. Размер природных алмазов колеблется от микроскопических зёрен до весьма крупных кристаллов массой в сотни и тысячи карат (1 карат = 0,2 г). Масса добываемых алмазов обычно 0,1-1,0 карат; крупные кристаллы (свыше 100 карат) встречаются редко. В таблице приведены крупнейшие в мире алмазы, извлечённые из недр.

Рисунок 2.2 - Кристаллы алмаза ромбо-додекаэдрического и тетраэдрического облика

3. Структура

Химическая формула: C.

3.1. Атомное строение

Алмаз кристаллизуется в кубической системе, отвечающей самой плотной упаковке атомов и содержащей всего 18 атомов углерода. Каждый атом алмаза связан с четырьмя ближайшими соседними атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Расстояние между двумя соседними атомами 0,154 нм. Постоянный размер кристаллической решетки алмаза 0,356 нм.

Рисунок 3.1- Кристаллическая решетка алмаза

Из 18 атомов углерода 8 расположены в вершинах куба, 6 —в центрах граней куба и 4 — в центрах четырех из восьми кубов, образованных делением элементарной кубической ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями.

3.2. Элементарная ячейка и Сингония

Элементарная ячейка алмаза довольно сложна. Она представляет собой гранецентрированный куб, в который еще дополнительно вписано 4 атома углерода. Число частиц, необходимое для построения такой элементарной ячейки, n=( ¹/₈) 8+(¹/₂)6+4=8. Координатное число 4, так как в данном случае оно равно числу гибридных орбиталей атома углерода. Формы гибридных орбиталей, связи между углеродными атомами в кристалле алмаза и элементарная ячейка алмаза приведены на рисунке 3.2, рисунке 3.3 .

Рисунок 3.2 – Элементарная ячейка алмаза: а – гибридные орбитали; б – тетраэдр; в – тетраэдр, вписанный в куб; г – элементарная ячейка алмаза

Объем элементарной ячейки - a³

Число узлов в ячейке – 8

Число узлов ячейки на единицу объема - 8 / a³

Число ближайших «соседей» - 4

Расстояние между ближайшими соседями - a 3^1/2/4

Число соседей, следующих за ближайшими – 6

Расстояние до соседей, следующих за ближайшими соседями - a / 2^1/2

Рисунок 3.3- Элементарная ячейка

Сингония алмаза кубическая, пространственная группа Fd3m. Элементарная ячейка кристаллической решетки алмаза представляет собой гранецентрированный куб, в котором в четырех секторах расположенных в шахматном порядке, находятся атомы углерода. Иначе алмазную структуру можно представить как две кубических гранецентрированных решетки, смещенных друг относительно друга по главной диагонали куба на четверть её длины. Структура аналогичная алмазной установлена у кремния, низкотемпературной модификации олова и некоторых других простых веществ.

Координаты базиса: [[000]], [[0, 1/2, 1/2]], [[1/2, 1/2,0]], [[1/4, 1/4, 1/4 ]] [[1/4, 3/4, 3/4]], [[3/4, 1/4, 3/4]), [[3/4, 3/4, 1/4]].

Плотнейшей упаковки в структуре нет. Однако есть плоскости (слои), упакованные плотнее, чем любые другие плоскости. Они отчетливо видны на рисунке 3.4, где структура алмаза представлена со стороны плоскости (110), так что направление <111>, т. е. ось 3, вертикально. В этом ракурсе явно выделяются слои плоскостей {111}, перпендикулярных осям 3. Ретикулярная плотность в таких слоях наибольшая, а направления <110> (диагонали граней куба), лежащие в этих слоях, являются наиболее плотно упакованными направлениями. На рисунке видно, что слои {110} двойные, как бы состоящие из двух подслоев: один подслой состоит из атомов, у которых вертикально расположенные связи направлены вверх, второй — из атомов, у которых такие же связи направлены вниз. Подслои двойного слоя соединены между собой тремя связями на атом, а с двумя соседними двойными слоями — одной связью на атом. Такое расположение играет существенную роль в анизотропии механических свойств кристаллов со структурой алмаза.

Рисунок 3.4 - Структура алмаза со стороны плоскости (110)

На рис. 3.5 ясно видно, что в структуре существуют шестисторонние «каналы» в направлениях <110>, проходящие насквозь. По этим каналам особенно легко идет диффузия примесей в кристалле.

Обратим еще внимание на четко вырисовывающуюся фигуру ступенчатого гексагона с вершинами, обращенными в разные стороны (на рисунке 3.5 один из этих гексагонов для наглядности заштрихован).

В точечной группе симметрии алмаза есть центр симметрии, все направления не полярны. В структуре центр симметрии располагается на середине связи между двумя любыми соседними атомами.

Рисунок 3.5 - Шестисторонние «каналы» в направлениях <110>