Введение

Алмаз — это аллотропная модификация углерода, в которой атомы углерода расположены в специфическом типе кубической кристаллической решетки, называемой алмазной кубической. Это кристалл, который может быть прозрачным или непрозрачным и обычно изотропным (не проявляет или проявляет очень слабое двойное лучепреломление). Алмаз – самый твердый из известных природных материалов. Однако, из-за существенной структурной хрупкости, ударная вязкость алмаза в массе лишь удовлетворительная или хорошая. Точное значение предела прочности на растяжение алмаза в массе мало изучено, однако наблюдалась прочность на сжатие до 60, а в форме микро- и наноразмерных проволок или игл (~100 мкм в диаметре, микрометры в длину) она может достигать 90, при соответствующем максимальном упругом растяжении более 9%. Анизотропия твердости алмаза тщательно учитывается при его огранке. Алмаз обладает высоким показателем преломления (2,417) и умеренной дисперсией (0,044), что и придает ограненным алмазам их блеск. Ученые классифицируют алмазы на четыре основных типа в зависимости от характера присутствующих кристаллографических дефектов. Незначительные примеси, замещающие атомы углерода в кристаллической структуре алмаза, а в некоторых случаях и структурные дефекты, обуславливают широкий спектр цветов алмазов. Большинство алмазов являются электрическими изоляторами и обладают исключительно высокой теплопроводностью. В отличие от многих других минералов, удельный вес кристаллов алмаза (3,52) имеет относительно небольшие колебания от кристалла к кристаллу.

Твердость и кристаллическая структура

Известный древним грекам как ἀδάμας (adámas, «правильный, неизменный, нерушимый») и иногда называемый адамантом, алмаз является самым твердым из известных природных материалов и служит определением 10 по шкале минеральной твердости Мооса. Алмаз чрезвычайно прочен благодаря своей кристаллической структуре, известной как алмазный кубик, в которой каждый атом углерода имеет четыре соседних атома, связанных с ним ковалентной связью. Кубический нитрид бора (c BN) почти такой же твердый, как алмаз. Алмаз реагирует с некоторыми материалами, такими как сталь, и c BN изнашивается меньше при резке или абразивной обработке таких материалов. (Его структура типа цинковой обманки аналогична алмазной кубической структуре, но с чередующимися типами атомов.) В настоящее время гипотетический материал, бета-углекислый нитрид (β C3N4), также может обладать сравнимой или большей твердостью в одной из своих форм. Показано, что некоторые алмазные агрегаты с нанометровым размером зерна более твердые и вязкие, чем обычные крупные алмазные кристаллы, и поэтому лучше подходят для использования в качестве абразивного материала. Вязкость природного алмаза оценена в 2,0, что хорошо по сравнению с другими драгоценными камнями, такими как аквамарин (голубого цвета), но плохо по сравнению с большинством конструкционных материалов. Как и любой другой материал, макроскопическая геометрия алмаза влияет на его сопротивление разрушению. Алмаз имеет плоскость спайности и поэтому более хрупок в некоторых направлениях, чем в других. Бриллианторезчики используют это свойство для раскалывания некоторых камней перед их огранкой. Высокое электрическое поле пробоя при комнатной температуре также является важной характеристикой алмаза. Эти характеристики позволяют монокристаллическому алмазу быть одним из перспективных материалов для полупроводников. Широкая запрещенная зона выгодна в полупроводниках, поскольку позволяет им поддерживать высокое удельное сопротивление даже при высоких температурах, что важно для мощных приложений. Полупроводники с высокой подвижностью носителей заряда, такие как алмаз, легче использовать в промышленности, поскольку им не требуется высокое входное напряжение. Высокое напряжение пробоя предотвращает резкое возникновение большого тока при типичных входных напряжениях. Большинство природных синих алмазов являются исключением и являются полупроводниками из-за примесей бора, замещающих атомы углерода. Естественные голубые или голубовато-серые алмазы, часто встречающиеся на алмазной шахте Аргайл в Австралии, богаты водородом; эти алмазы не являются полупроводниками, и неясно, действительно ли водород отвечает за их голубовато-серый цвет. В январе 2024 года японская исследовательская группа создала MOSFET на основе алмаза n-типа, легированного фосфором, который должен обладать превосходными характеристиками по сравнению с кремниевой технологией в приложениях, требующих высокой температуры, высокой частоты или высокой подвижности электронов. Были изготовлены полевые транзисторы (FET) с диэлектрическими слоями из SiN и SC FET. В апреле 2004 года исследование, опубликованное в журнале Nature, сообщило, что синтетический алмаз, легированный бором, при температуре ниже 4 K является объемным сверхпроводником.

Термическая стабильность

Если нагреть алмаз на воздухе, он, будучи формой углерода, окисляется и его поверхность чернеет, но её можно восстановить повторной полировкой.