Diamant (Geschichte, Eigenschaften, Synthese)

• Colour (Farbe): - optische Eigenschaften hauptsächlich durch Stickstoffver-Unreinigungen

• Typ I – Diamant: stickstoffreiche Kristalle (bis zu 2500 ppm) mit meist gelbliche Färbung Typ I b- Diamant: homogener Austausch einzelner Kohlenstoff-Atome durch Stickstoffatome; ein Elektron pro Stickstoff ist ungepaart Typ I a- Diamant: Auch die überschüssigen Elektronen der Stick-Stoffatome werden gepaart; häufigsten Defekte:

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• Typ II- Diamant: enthält weniger als 2 ppm Stickstoff Typ II a – Diamant: halbleitende Kristalle Typ II b – Diamant: isolierende Kristalle Diamantstruktur Beim Diamant handelt es sich um einen kovalenten Atomkristall. In einem Atomkristall sind die Gitterbausteine Atome, die durch kovalente Bindungen dreidimensional verknüpft sind. Die Elemente der 4.Hauptgruppe hier Kohlenstoff kristallisieren in einem Atomgitter mit tetraedischer Koordination der Atome (Winkel: 109,5°). Nach der C-Modifikation wird dieser Gittertyp als Diamantgitter bezeichnet. In der Diamantstruktur ist jedes Atom durch 4 σ -Bindungen an seine Nachbaratome gebunden.(C-C-Bindungslänge: 154,4 pm / Koordinationszahl: 4). Die C-C-Bindungen kommen durch Überlappung tetraedisch ausgerichteter sp ³ -Hybridorbitale zu stande. Die Elementarzelle des Diamant ist kubisch-flächenzentriert . Eigenschaften von Diamant

Dichte: 3,514 g/cm 3

Härte: Aufgrund der hohen Bindungsenergie ( 348 kJ/mol) ist der Diamant sehr hart ( er ist der härteste natürliche Stoff.

Diamant ist metastabil, d.h. Diamant sollte sich bei normalen Temperatur- und Druckverhältnissen freiwillig in Graphit umwandeln. Die Umwandlung ist jedoch so extrem langsam, dass sie bei normalen Temperaturen nicht beobachtet wird.

C Diamant à C Graphit ∆ H= -1,9 kJ/mol (bei 1500°C)

In Gegenwart von Luft verbrennt Diamant bei 800°C zu CO 2

Elektrische Leitfähigkeit: Diamant ist ein sehr guter Isolator.

Löslichkeit: Keinerlei Wechselwirkungen mit Lösungsmittel-Molekülen ist stark genug, um die kovalenten Bindungskräfte der Gerüststruktur zu überwinden. Eine Ausnahme ist ein oxidatives Gemisch aus Kaliumdichromat u. Schwefelsäure od. Salpetersäure bzw. Fluor bei über 700°C.

Wärmeleitfähigkeit: Höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Substanzen (5 mal höher als Cu) und einen der niedrigsten Ausdehnungkoeffizienten von 1,06*10 ^-6 .

Diamant Synthese

Die Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese von synthetischem Diamant gelang erstmals 1955 in einer Belt-Apparatur. Darin werden Proben in einer Kammer zwischen 2 Stempeln und Wolframkarbid über hydraulische Pressen komprimiert.

Die Proben befinden sich in einem weichen Druckübertragungsmedium aus Phyrophillit (Al 2 [Si 4 O 10 (OH) 2 ]). Zusätzlich wird der Probenbehälter beheizt.

Als Probenzusatz verwendet man metallische Schmelzen von Elementen der Eisengruppe (als Katalysator), einen Keimkristall sowie Graphit als Kohlenstoffquelle. Man arbeitet dann mit einem Druck von ca. 60000 bar und einer Temperatur von ca. 1700 K. Bei gleichbleibender Krafteinwirkung und geeigneter Temperaturregelung kann ein konstanter Kristallwachstum für Zeiträume von mehreren Wochen realisiert werden. Optimal ist eine Abscheidungsgeschwindigkeit von weniger als 1,5 mg pro Stunde.

Neben des Herstellen künstlicher Diamanten in Kristallform, gibt es auch die Züchtung synthetischer Diamantschichten auf Oberflächen. Das 1. Verfahren, dass diesen Vorgang erfolgreich realisierte, ist die HFCVD-Methode (Hot Filament Chemical Vapour Desposition), das in den achtziger Jahren realisiert wurde

Bei dieser Methode wird eine kohlenstoffarme Gasmischung an einer Wendel aus Wolframdraht bei 2300 bis 2900 K pyrolysiert ( thermisch zersetzt).

Als Kohlenstoffquelle wird Methan verwendet und die CH 4 /H 2 Mischung so gewählt, dass der C-Gehalt 0,5 mol % nicht überschreitet. Die Dissoziationsprodukte der Gase diffundieren vom heißen Draht zum etwa 1 cm entfernten kühleren Substrat ( 1100 u 1400 K) und bilden unter Wasserstoffabspaltung Diamant.

Optimal ist ein Gesamtgasdruck von etwa 10kPa und einer Subtrattemperatur von 1120 K , um eine Wachstumsrate von einen Mikrometer pro Stunde zu erreichen.

Literaturangaben:

Chemie in unserer Zeit / 34. Jahrg. 2000/ Nr. 4 Allgemeine und anorganische Chemie, Erwin Riedel, de Gruyter, 6. Aufl.1994 Hollemann, Wiberg, Lehrbuch der anorganischen

CD Römpp Chemie Lexikon – Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995