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《中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)》 2002年
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金刚石中氢的赋存状态研究

杨志军  
【摘要】: 天然金刚石中的微量元素达59种之多,其含量都在10~(-6)级规模以上,且最主要的杂质元素为氮、氢、氧和硼等。对金刚石中氢的研究可以丰富地幔矿物学、宝石学及材料科学等的研究内容,并可为解决地幔乃至地核的许多疑难问题提供线索。本文在前人对金刚石研究的基础上,着重研究金刚石的晶体化学及矿物学特征、氢在金刚石中的化学态,进而从量子化学计算的角度来阐述氢在金刚石中的理想赋存状态,并利用红外光谱定量比较分析从定向和微区的角度来探讨由于金刚石的不均匀性所诱发的氢在金刚石中的定向性等实际赋存状态。这些研究旨在为人们进一步研究氢在金刚石的优化及合成等方面的应用提供理论和实验依据。 群论、扫描电镜(SEM)、X射线衍射、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、电子顺磁共振谱(EPR)及拉曼散射光谱(RAMAN)等对金刚石的晶体化学及矿物学研究表明:金刚石为RAMAN活性,其不变子群为Td群和平移群;天然金刚石与高温高压合成金刚石的微形貌差异、金刚石的异常光性和形态、成份各异的包裹体等直观地说明绝大部分金刚石是不均匀的;金刚石的不均匀性决定金刚石可以产生红外吸收,且可以进一步划分出单声子点阵吸收、C-C晶格振动吸收及与缺陷几乎呈一一对应的局域模式振动吸收。于是,FTIR分析成为当前研究金刚石中氢的赋存状态之最为有效的方法之一。 金刚石的FTIR、RAMAN等振动光谱研究表明:氢在金刚石结构中是以一定的化学态形式存在的,包括有:C-H键、N-H键、HF、H_2O分子、-OH及H_2分子等。另外,金刚石的显微流体包裹体研究及理论分析表明:在金刚石中还应存在有顺磁性氢及H~+等。这些不同化学态的氢在金刚石结构中往往是以晶格氢、空隙氢、键心氢及反键心氢等形式存在。同时,氢植入技术和高温淬火实验等对金刚石中氢的动态机制研究表明:氢在金刚石结构中是自陷的。因此,氢在金刚石结构中的赋存状态表现为自陷于诸如晶格位、空隙位、键心位及反键心位等金刚石的结构属性中。 晶格氢的量子化学从头计算表明:每一个碳空穴位具有吸引更多氢原子于其周围的倾向,最多时可以达到4个氢原子。同时,每一个碳原子周围的C-Csp~3杂化键若被C-H键所替代,则亦倾向于被更多的C-H键所替代,但最多只能被3个C-H键所替代,且当C-H键的成键方式仍为sp~3杂化时结构最稳定。于是,在金刚石的红外光谱图中,可以检测到的最为广泛的晶格氢应为-CH_3基团,其次为-C=CH_2基团,最少则为-C≡CH基团。 空隙H~0(顺磁性氢)的半经验分子轨道理论—MNDO法计算表明:存在于四面体空隙中的H~0是最稳定的。而顺磁性氢(H~0)在金刚石的各种结构属性中的稳定程度大小关系为:空穴捕获的H~0>键心位H~0>四面体空隙H~0>六角体空隙H~0>反键心位H~0>菱形中心空隙位H~0。 空隙 H+的半经验分子轨道理论一MN’DO法计算表明:空隙 H+在金刚石中 不能稳定地存在,更多地是处于一种“游大”状态。但相比较而言,六角体空 隙位是相对更为稳定的空隙庄存在位。 金刚石的定向红外光谱研究表明:在不同的方向上,金刚石中的Cp键 和CAI键的浓度是不同的,且在垂直于(ill)方向上Cp键的浓度是最低, 这直接决定了金刚石将形成{ill}解理;氢具有优先取代垂直于(if)方向上 C----键中碳原子的倾向;HZO在金刚石中并不单单是以“云雾状”包裹体的 形成存在,还可以以与片晶密切伴生的形成存在。同时,一定浓度的HZO与氮 含量之比有助于Ianro型金刚石的合成;分子氢在金刚石空隙中的定向性并不 明显,H-H键的方向取决于畸变场的性质。 金刚石的微区显微红外光谱表明:N和H作为杂质在金刚石中的分布是不 均匀的;在金刚石的合成(HPHT,CVD)过程中,适当地进行物质环境的变 换将有利于金刚石的生长。同时,在进行金刚石中包裹体的温压及物化条件研 究中,应该重视微区的意义。
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