硼也是个神奇的元素——硼对金刚石性能的影响

       前面讲了氮、氧元素对金刚石性能的影响，今天分享硼元素对金刚石性能的影响，硼也是个很神奇的元素。

       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。由于硼原子的引入，使金刚石的抗氧化性、导电性、化学情性及力学性质都发生了明显的变化。

       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：

       一、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。

       在金刚石晶体表面上，每个碳原子只用3个价电子与内部的3个碳原子形成共价键，还有1个悬键没有被利用，因而容易与外来缺电子的原子发生反应。由氧原子的电子配布式1s2 2s2 2p4可知，还有两个电子才能把2P排满，因此是一个缺电子原子，当它与金刚石表面的碳原子接触时，就很容易吸收碳原子多余的电子而相互结合成键，最后形成CO跑掉，这个现象就是金刚石的氧化。

       当金刚石中掺进硼时，由硼原子的电子配布式1s22s22p1可知，硼为三价。结构示意图如下图所示，从中可以看出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℃。

       二、抗压强度

       我们所熟知的金刚石晶形越完整，抗压强度越高；反之则低。普通金刚石晶形完整，多呈等积形，而含硼金刚石晶形不完整，虽非等积状。理论上含硼金刚石的抗压强度值应低于普通金刚石，但实测结果却是含硼金刚石抗压强度还稍高于普通金刚石。

       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。

       三、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。

       四、化学惰性

       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。为什么普通金刚石在加工铁及其合金时产生严重的粘附，而含硼金刚石则很少产生粘附呢？

       跟前面所讲抗氧化性能原理相似，普通金刚石表面碳原子多余1个价电子没有利用，而Fe(γ )是1个缺电子原子，3d层尚未填满，并具有吸引金刚石表面碳原子的能力，再加上它们晶体结构的相似性和密排面上的间距十分接近，因此金刚石的密排面(111)面容易与Fe(γ )的密排面(111)面接触，而且两者密排面上的原子有很好的对应关系，这种对应关系及其间的相互作用揭示出严重粘附的内在原因。

       如果硼原子与金刚石晶体表面碳原子多余的1个价电子结合，使得表面与原来的金刚石表面结构有着明显的不同。虽然变化后的表面结构与Fe(γ )密排面上的原子也呈良好的对应关系，但因它没有多余的价电子与Fe(γ )密排面上原子相互作用（联接成键）而产生粘附作用。

       所以不会产生粘刀现象，不形成切削瘤，工件的加工质量显著提高。

       五、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。

       六、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。

       七、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。

       八、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。