单晶金刚石是由单一晶体结构组成的金刚石，其化学成分为碳（C），是目前所知自然界中最硬的物质。

单晶金刚石

特性

力学性质

- 硬度极高：莫氏硬度达到10，是自然界中最硬的物质，维氏硬度可达98GPa，能够轻易在其他物质表面留下划痕，具有极好的耐磨和研磨性能。

- 脆性较大：金刚石的脆性较差，在较小的冲击下，容易沿着解理面断裂，含有包裹体的金刚石碎块耐冲击力更小。

- 比重较大：质纯、结晶完好的金刚石比重为3.52，一般因包裹体的存在，比重在3.47-3.56之间。

光学性质

- 颜色多样：纯净的金刚石无色透明，但较为少见，多数金刚石晶体呈黄色、绿色、棕色等不同颜色，红色、蓝色的金刚石则更为稀有。

- 光泽强烈：根据光泽强弱，可分为强、中、弱三种，经切割打磨后，能反射出大量光线，显得格外明亮。

- 折射率高：折射率约为2.417，在透明物质中处于较高水平，光线照射到金刚石上时，会发生多次折射和反射，产生璀璨光芒。

- 色散值大：色散值是天然宝石中最大的，为0.044，能将白光分解为绚丽多彩的光谱，使金刚石呈现出五颜六色的闪光。

- 透光率高：金刚石是最宽的电磁波带通材料，其透光性覆盖X射线到微波和毫米波波段。

热学性质

- 热导率高：在常温条件下，金刚石的热导率是已知材料中最好的之一，CVD金刚石的热导率在1000-2000W/m·K之间，比铜高出6倍。

- 热膨胀系数小：金刚石是共价键结合的晶体材料，有较小的热膨胀系数，室温热膨胀系数为0.8×10-6/℃，且具有各向同性。

- 耐热性有限：金刚石在非氧化性酸中具有良好的耐热性，但在720-800°C的纯氧条件下会发生氧化，在800-1700°C的真空条件下，会形成石墨化层。

电学性质

- 一般为不良导体：通常情况下，金刚石是电的不良导体，但经适当掺杂后，可获得具有半导体材料特性的金刚石。

- 抗电化学性能强：与半导体材料硅和锗相比，金刚石的电化学性能及Johnson价质数均高得多。

化学性质

- 化学稳定性好：金刚石的化学性能稳定，能够耐受各种温度下的非氧化性酸，但不耐强碱、含氧酸盐以及熔融金属。

- 高温下易氧化：在氧气中600℃时开始氧化，720℃时燃烧，在空气中850℃时燃烧。

表面性质

- 亲油性高：金刚石是一种非极性矿物，表面亲油性较高，润湿接触角为80°-120°，其表面性能受纯度和清洁程度影响。

制备方法

- 静压触媒法：在金刚石热力学稳定的条件下，利用六面顶压机等设备，在恒定的超高压、高温和触媒参与的条件下合成金刚石单晶。该方法可批量生产较小尺寸的金刚石单晶，但晶体尺寸的提升空间有限。

- 动压法：主要是爆炸法，通过炸药爆炸产生瞬间的高温高压来合成金刚石单晶。该方法设备相对简单，但制备出的金刚石单晶质量和尺寸均匀性较差。

- 化学气相沉积法（CVD）：包括微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）等技术，是在金刚石亚稳态的压力温度条件下，通常在常压或负压（真空）下，将含碳气体分解，使碳原子在衬底表面沉积并生长成金刚石单晶。这种方法可以生长出较大尺寸、高质量的单晶金刚石，且杂质含量低。

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