Кристаллическая структура алмаза

Кристаллы алмаза принадлежат к классу m3m кубической сингонии. Элементарная ячейка алмаза представлена гранецентрированной кубической решеткой Бравэ (F) и содержит восемь атомов углерода. Ее можно представить в виде гранецентрированной кубической ячейки, составленной атомами углерода, внутри которой размещены еще четыре атома углерода. В результате элементарная ячейка алмаза будет содержать восемь атомов углерода, которых четыре размещены внутри элементарной ячейки, а набор из четырех атомов на поверхности кубической ячейки слагается из следующей суммы: один суммируется из 8 «восьмушек» по вершинах куба (8´1/8) и 3 ¾ из половинок атомов в центрах граней (6 ´ 1/2).

Элементарную ячейку алмаза можно построить двумя способами.

Первый способ. Вообразим гранецентрированную кубическую решетку Бравэ с атомами углерода в вершинах куба и в серединах граней. Затем мысленно разобьем ячейку на восемь малых кубов – октантов (рис. 26,а). В центрах четырех из них через один в шахматном порядке разместим по одному атому. На рисунке октанты, заселенные атомами заштрихованы. В результате имеем элементарную ячейку алмаза с 8-мью атомами углерода (рис. 27,а).   

Второй способ. Как и в предыдущем случае возьмем за основу гранецентрированную кубическую решетку Бравэ с атомами углерода в углах и центре граней. Затем еще раз повторим полученный структурный мотив, сдвинув его на 1/4 телесной диагонали вдоль исходной кубической ячейки. Полученный результат будет аналогичен предыдущему. Второй вариант вывода элементарной ячейки алмаза представляет особый интерес вследствие того, что наглядно демонстрирует каким образом в ее структуре можно выделить две кубические гранецентрированные подрешетки, сдвинутые относительно друг друга на четверть телесной диагонали. Такая схема позволяет понять многие физические и морфологические особенности реальных кристаллов алмаза.

Рис. 26. Элементарную ячейку алмаза: а ¾ деление элементарного куба на 8 октантов (а – параметр ячейки) (рис. 130, Шаскольская), две подрешетки, сдвинутые по телесной диагонали одна относительно другой.

Проекция элементарной ячейки структуры алмаза на плоскость (001) показана на рис. 27, б, где хорошо видно действие алмазных плоскостей и винтовых осей симметрии 4₁. Атом в вершине куба можно совместить с атомом в середине октанта, если его отразить в плоскости d и сместить на расстояние (b+c)/4.  Атом в центре грани и близлежащие атомы на высотах 1/4, 1/2, 3/4 совместятся, если их поворачивать вокруг оси четвертого порядка и одновременно передвигать вдоль оси на 1/4 периода трансляции.

Рис. 27. Элементарная ячейка структуры алмаза (а) и проекция элементарной ячейки структуры алмаза на плоскость (001) (б)

Для простоты на чертеже показаны только две плоскости d; такие же плоскости, параллельные этим, проходят через каждые ¼ параметра ячейки. Разными кружками обозначены одинаковые атомы, находящиеся: 1 – в вершинах ячейки; 2 – в центрах граней; 3 – в центрах пары квадрантов на высоте ¼; 4 – в центрах противоположной пары квадрантов на высоте ¾

Кристаллическую структуру алмаза характеризуют следующие элементы симметрии:

3 - инверсионная ось 3-го порядка вдоль [111];

4 - инверсионная ось ось 4-го порядка вдоль[100];

4₁ - винтовая ось 4- го порядка параллельная 4;

m - зеркальная плоскость симметрии, совпадающая с диагональной { 110 } кристаллографической плоскостью;

n - плоскость скользящего отражения типа n (1/2 [ 110 ] { 220 });

d - плоскость скользящего отражения типа d.

Итак, алмаз относится к пространственной группе Fd3m.

В структуре алмаза не достигается плотнейшей упаковки, но слои, параллельные объемной диагонали кубической ячейки упакованы плотнее других ¾ это октаэдрические плоскости { 111 }. Наиболее плотноупакованное направление в алмазе совпадает с диагональю грани кубической ячейки ¾ [ 110 ].

В кристаллической решетке алмаза каждый атом углерода окружен четырьмя атомами углерода, расположенными в вершинах правильного тетраэдра (рис. 28). При этом атомы углерода связаны с другими ковалентной связью.

Рис. 28. Тетраэдрическая координация атомов углерода в алмазе.

Ковалентная связь осуществляется с помощью спаренных электронов. Два спаренных электрона в алмазе принадлежат одновременно двум соседним атомам углерода. Ковалентные связи строго направлены. Векторы связей ориентированы в пространстве под углом 109⁰ 20' одна по отношению к другой. Энергия каждой связи составляет 170 Ккал/моль. Этим обеспечивается рекордная прочность алмаза.

Аналогичную кристаллическую структуру имеют также полупроводники кремний, германий и серое олово (a-Sn). Все они расположены в 4-й группе периодической таблицы Менделеева При этом ни один из перечисленных материалов не обладает прочностью алмаза. Объясняют это тем, что расстояние между атомами у них гораздо больше, чем в алмазе. Кроме того чем ниже расположен элемент 4-й групппы в таблице Менделееева, тем больше у него тенденция к металлической связи. У олова есть более известная и более распространенная структурнвая модификация ¾ металлическое белое олово (b-Sn). располагются 

 Алмазоподобная структура установлена также у бинарных соединений A^IIB^IV: CdTe, ZnTe, ZnSe и других. Структуру такого вида часто называют структурой сфалерита (ZnS), впервые установленной у этого минерала. Структура сфалерита отличается от алмазной тем, что в двух гранецентрированных кубических подрешетках, сдвинутых одна относительно другой на 1/4 объемной диагонали куба, узлы заняты атомами разных элементов. Все перечисленные бинарные соединения способны кристаллизоваться в двух полиморфных модификациях: кубической (структура сфалерита) и гексагональной (структура вюртцита).