Diamonds Are a Girl’s Best Friend

Posted by Ms. Today

鑽石,簡簡單單兩個字,卻是媚惑女人的極致名詞。像巧克力一般,女人面對亮晶晶的鑽石往往失去抵抗力。它是情感永恆的象徵,因為「情比鑽石堅」;它是讚美女人的最佳恭維,就如瑪莉蓮夢露傳世的讚頌:「鑽石,女人最好的朋友。(Diamonds are a girl’s best friend.)」

既然鑽石成為象徵感情的信物,又因為數量稀少珍貴成為誇富的工具,於是不管開採鑽石礦源的工作多麼艱鉅危險,不論鑽石市場幕後的黑手們如何腥風血雨的操作,即使被稱為「血鑽石」,那一顆顆發亮的小石頭仍然吸引著一代代女人又羨又妒的眼神。據說一顆鑽石的好壞取決於4C:切割(Cut)、淨度(Clarity)、色澤(Color)、重量(Carat);其中又以切工最能決定鑽石的亮度,但也是最無法量化的標準,因此一顆切工好的鑽石往往可以增加數倍價值。

而站在材料學的角度來說,鑽石是個怎麼樣的物質呢?同樣是碳原子,為什麼有的成為黑漆漆的石墨,有的卻成為亮晶晶的鑽石?讓我們來看看有名的鑽石結構(Diamond Structure):

如果大家高中化學還有點印象的話,應該可以稍微想起面心立方結構(Face-Centered Cubic, FCC)就是在立方結晶格子的八個角落和六個面中央各有一顆原子的排列。而上圖的鑽石結構,其實是FCC結構的延伸,只是在FCC結晶格裡面又塞進了4顆原子,使得每顆原子都正好跟附近的4顆原子共用電子形成共價鍵,而且還可以保持完美的四面體結構。(仔細看看圖中每一個角落的原子和它隔鄰的三面心原子,是不是都正好連接到同一顆原子呢?)因為這完美的sp3混成軌域的共價鍵四面體結構需要所有的價電子參與鍵結,所以沒有自由電子參與導電,因此一般狀態下鑽石為絕緣體;但也就是因為結構的完美使得鑽石硬度極高,除了可以代表情感的堅定外,工業上也常用碎鑽和鑽石粉做切削加工等用途。

講了這些不浪漫的事,到底為甚麼像Ms. Today這樣的材料女孩(materials girl)也跟拜金的物質女孩(material girl)一樣對鑽石魂牽夢縈呢?(喔…以前魂牽夢縈是因為考試…)鑽石結構的重要性在於,跟碳(C)同族的半導體元素矽(Si)和鍺(Ge)也都是這種sp3混成軌域的共價鍵晶體,在某些情況下他們會產生一部分的電子(electron)和相對應的電洞(hole),也因此可以導電。而三五族半導體因為平均電子數也是4,常常也可以形成類似鑽石結構的(Zinc Blende)閃鋅結構;同樣的這樣的結構也可以讓這些原子既共用電子,同時也有部分的導電電子和電洞。

你也許會問,既然同是鑽石結構,為什麼矽跟鍺可以導電,而鑽石就不行呢?同樣是共價鍵結,矽跟鍺的鍵能要比鑽石來的小;也就是說矽跟鍺原子對於電子的約束力不及鑽石。換另ㄧ種說法就是鍵結電子要吸收能量從價帶跳到傳導帶的能階差比較小(這個可能要寫另ㄧ篇文章來解釋了…)。所以假如我們把溫度升高到某一程度讓鑽石內部共價鍵電子有機會跳離價帶,鑽石也有可能成為半導體喔!

碳這個物質很奇妙,它可以是高貴的鑽石,可以是普通的石墨(graphite),可以是諾貝爾寵兒巴克球(Buck ball),也可以是火紅的奈米碳管(Carbon nano-tube),橫看成嶺側成峰,千變萬化都是它。有空我們再來聊聊碳的其他變身吧!

喜歡這篇文章嗎? 分享出去給作者一點鼓勵吧!