神奇元素硼——让金刚石性能更极致

金刚石是碳的一种结构。。
。在金刚石晶体中，
，，
，每个碳原子有4个最邻近的碳原子和12个次邻近的碳原子。。
。
。在一个单位立方体内有8个原子。。。。由于硼原子的半径较碳原子半径小，
，容易进入金刚石晶体晶格中，，，，硼在金刚石晶体中存在3种可能的形式:一种是硼原子取代碳原子的位置；第二种是硼原子位于碳原子之间；第三种是硼原子还可填补金刚石晶体生长过程中所出现的缺陷，，，
，特别是表面缺陷，，，，它们都会对金刚石晶体性能产生影响
。。。

金刚石晶体中的硼可通过添加硼或硼化物的途径来实现。。。含硼金刚石晶体中的硼含量一般很低，，，
，但对改善和提高金刚石晶体性能的影响是显著的
。。。研究结果表明，，，硼元素对金刚石的影响主要在以下几个方面：

导电性

金刚石晶体构造是典型的原子晶格，，
，典型的原子晶格中无自由电子存在，，因而是不导电的。。普通金刚石之所以是绝缘体，，，，不但因为它有4个价电子，
，而且禁带宽度很大，，约5.5电子伏特。
。
。
。

实践证明，，微量的化学杂质可以控制半导体的电导率。。。。例如，，，，以1个硼原子和105个硅原子的比例将硼加入硅内，，，，则在室温下，，电导率增加103倍，，，因为典型的三价杂质硼可从价带内取得电子，，而留下空穴。。

如将硼原子引入金刚石晶体，，其能带状态将发生变化。。。因为硼的外围只有3个电子
，，，在组成价健时总缺少1个电子，，，形成1个负电中心，，，也就产生了1个空穴；由于硼原子的引入
，，，使得空穴数目大大增加
，，
，所以其导电性也就大大增强。。。

半导体性能

对于纯净的金刚石而言，，，由于它内部没有自由移动的电子且具有5.5ev的宽禁带
，，因此电阻率很高，
，
，可作良好的电绝缘体；不过当金刚石中掺入第Ⅲ族或者第Ⅴ族元素后
，
，，，金刚石可由绝缘体转变为半导体甚至导体。。。具有三个价电子的硼原子进入金刚石晶格后会以替位形式取代碳原子成为受主中心，，晶格中产生空穴载流子，，，金刚石成为空穴半导体，，，，这种掺杂称为P型掺杂
。
。。。随硼含量的增加，，，金刚石的电导率增加。。在高温
、、
、
、大功率电子器件的应用方面具有极大发展前景
。。。 　　

抗氧化性能

含硼金刚石抗氧化性比普通金刚石好
，，，并随其中硼含量增加而增加
。
。
。。含硼金刚石和普通金刚石的主体结构相似，
，，只是由于碳原子的一些位置被硼原子替代，，使其具有了不同的原子结构。
。。。硼的3个价电子与碳原子的悬键结合成共价键，，，使得含硼金刚石结构没有悬键
，
，即多余价电子被结合
，，形成了硼碳原子相结合的共价键并具有稳定的状态，
，
，所以含硼金刚石具有抗氧化性和耐热性，，，实验表明，，含硼金刚石的表面起始氧化温度比普通金刚石的高150℃~250℃。。

抗压强度

人造金刚石由于生长过程中的某些原因，，致使其存在气泡、、、、位错、、
、杂质包裹体等缺陷，，，这些缺陷将导致其机械性能远远低于理论值
。
。由于硼原子半径较小，
，，，在高温(1273K)时化学活性迅速增加。。
。
。因此，
，硼原子能在石墨转化金刚石过程中较容易填补到金刚石的缺陷处；使金刚石的结构更为致密
，，，从而使金刚石强度提高。
。。。

除此以外还会对以下性能产生影响：化学惰性。。
。。在这里表现在普通金刚石和含硼金刚石对铁及其合金的亲合力的大小，，
，，即一般所说的粘附性上。。含硼金刚石比普通金刚石在加工铁及其合金时更不易产生严重的粘附，，，
，使得工件的加工质量显著提高；颜色。。。金刚石由于硼含量浓度的不同，，
，分别呈无色、、蓝色或黑色。
。。现已广泛用于半导体材料以及磨料磨具材料；冲击韧性。。黑色含硼金刚石工具有良好的冲击韧性，
，，制成的刀具在载荷断续切削硅铝合金、、钛合金、、
、玻璃钢等材料时具有较长的寿命；耐磨性，
，，，含硼金刚石具有良好的耐磨性，，，
，适合研磨硬而韧的材料，，还可用作耐磨涂层
、、磨料、
、
、
、钻头、、、
、切削刀具等。。
。。

为响应市场需求，，商界推出硼掺杂单晶金刚石
，，，，满足广大客户制备高温、、、、大功率半导体元器件等应用需求，
，，，可实现低浓度到高浓度的掺杂，，低浓度的掺硼金刚石具有良好的迁移率，，
，适合作为半导体器件的主要材料；高浓度的掺硼金刚石则具有电阻率低的特点，
，，，适合作为欧姆接触的电极。。