2011年4月1日

半導體與醫學界的新星—鑽石

作者/陳慧蓉(任職台灣師範大學科學教育研究所)、張煥正(任職中央研究院原子分子研究所)

鑽石是在地底高溫高壓的環境之下所形成的寶石,世界上最主要的產地為非洲。「鑽石恆久遠,一顆永流傳」,這是許多人對「鑽石」的第一印象;「Diamonds are a girl's best friend」(鑽石是女孩最好的朋友),也是大家耳熟能詳的句子。但是,科學家眼中的鑽石又是如何呢?由於鑽石的特殊物理及化學性質,科學家認為它是一種極具開發價值的材料,例如:鑽石顆粒是最堅硬的切割工具,可以被鍍成薄膜;鑽石可以人工合成晶圓,製成半導體元件;而經過特殊處理的奈米鑽石,能夠發出強烈的螢光,對蛋白質有超強的吸附力,可以應用於生物醫學檢測。本文將深入探討鑽石材料的特性(特別是光學性質)及其新應用。

鑽石的特殊結構

鑽石有「寶石之王」的美稱,是世界上最昂貴的寶石品種。鑽石是已知自然界最堅硬的物質,也是導熱最快的物質,它的傳導速率比銀及銅還要快上六、七倍。此外,鑽石具備有強折射率及高色散度,是重要的工業及國防材料。天然鑽石由於數量稀少,礦床難尋,開採艱辛,再加上製成飾品的加工程序繁複,更增添了其神祕魅力,幾千年來一直是財富與權勢的象徵。

鑽石雖然珍貴,但其成分與石墨相同,都是由碳原子組成,只是兩者的原子排列方式不同,造成了性質上的差異。如圖一所顯示,石墨中的碳原子是以層狀結構排列,同一層中,每一個碳原子與鄰近三個碳原子以sp2 共價鍵形式鍵結,組成六角型平面環的結構。但是兩層平面間,僅以微弱的凡得瓦力(van der Waals forces)相連結,因此石墨晶體層間的結合不堅固,層與層之間可以輕易地脫開,造成石墨的質地柔軟,可作為鉛筆筆心等用途。鑽石的結構與石墨不同,每一個碳原子與鄰近四個碳原子以sp3 共價鍵形式鍵結,形成堅固的三度空間結構。由於其獨特的鑽石晶格(diamond lattice) 結構是由兩個面心立方體交錯排列而成,鑽石具有高密度、高導熱性、高硬度以及高熔點的性質。此外,在鑽石的晶格結構中,每個碳的四個電子與其鄰近的四個碳原子共用,沒有自由電子,因此無法導電,但這也造就了其晶瑩剔透及閃閃發亮的光學特性,成為女士們最好的朋友。
閃亮繽紛的彩鑽


談到鑽石,大多數人認為它是無色的,其實鑽石還有許多其他不同的顏色,如藍鑽、黃鑽及粉紅鑽等。天然鑽石是碳原子在地殼深處(約150 公里以上),在高溫、高壓的岩石中經過長時間結晶而成。在此漫長過程中,有時會有其他礦物質或氣體分子滲入,使得鑽石的顏色產生變化。進一步分析彩鑽生成的原因,發現它和鑽石內部所含的雜質(以硼原子和氮原子最為常見)與晶體結構缺陷有關。完美無瑕的鑽石是透明無色的,而彩鑽則是有一些非碳元素取代了晶格中的碳原子、或是在晶格中有空缺所造成(圖二)。無色鑽石是指在可見光譜範圍內,光線穿過鑽石時可以全部傳送到眼睛而不被吸收;而彩鑽有顏色的原因是可見光穿過該鑽石時,部份光線被內部雜質或結構缺陷所吸收,而產生了各種不同的顏色。珠寶界所謂的4C,即是以顏色 (color)、淨度(clarity)、重量(carat weight)以及切工(cut)等四個要素評定鑽石的等級。

彩鑽的分類,可依鑽石晶體內部所含的雜質種類與數目的不同,大致區分為四大類:Ia Ib IIa IIb 型。由於氮在自然界中的含量相當高,而且氮原子和碳原子的化性與大小接近,成為鑽石晶格中最常見的雜質。第Ia Ib 型鑽石內部都含有氮,只是含量不同;第IIa 型鑽石純淨不含雜質,而第IIb 型則含有其他種類的原子如硼等。

一、第Ia 型:鑽石內部的氮原子通常會聚集成團簇而出現淡黃色。在自然界中,有98%的天然鑽石屬於此型,所含的氮原子濃度最高可以到達0.3%。

二、第Ib 型:鑽石內部含孤立隔離的氮原子(約100 ppm),呈現鮮豔的黃色。這類鑽石的含量十分稀少,僅占天然鑽石的0.1%。

三、第IIa 型:鑽石內部幾乎不含其他雜質(小於1 ppm),為最純淨的鑽石,在自然界中的含量約為1~2%。這類型的鑽石即為一般市面上所見的寶石級鑽石,價格十分昂貴。

四、第IIb 型:內部雖然不含氮原子,但存在其他元素(如硼)。含硼的鑽石呈現藍色,且具導電性,可作為p 型半導體材料。【更詳細的內容,請參閱第496期科學月刊】

沒有留言: