螢光奈米鑽石

1.2.1 鑽石的結構特性

自古以來，鑽石因其堅硬、質地稀少與炫麗的光芒而被列為寶石 中的珍稀， 但鑽石雖然寶貴，成分其實與石墨相同，同樣皆由碳原 子所組成，只是兩者的結構與原子排列不同，如圖 1－1 所示。

石墨有巨大的共價結構，其碳原子彼此以 sp² 鍵結形成層狀六方 面體結構（layer of hexagonal network），但層與層之間僅由微弱的凡 得瓦力（van dor Waals force）彼此吸引而堆疊，因此容易剝落，莫氏 硬度（Mohs hardness）只有 1～2。

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鑽 石 之 碳 原 子 以 sp³ 共 價 鍵 與 鄰 近 的 四 個 碳 原 子 形 成 四 面 體

（tetrahedron），以面心立方晶格（face-center cubic）排列，組成三維 的立體網狀結構。原子與原子間形成強大之共價鍵結合，使鑽石的硬 度非常大，莫氏硬度達 10，同時也具有極高的熔點（3815℃），密度 則是 3.52 g/cm³。純鑽石通常視為絕緣體，其價帶與傳導帶的能階差 達 5.5 eV ¹⁴，只有摻入雜原子成為雜質半導體（extrinsic semiconductor）

後才會具有導電性。鑽石有極高的折射率（以標準黃色鈉光 589.5 nm，

折射率為 2.417），而全反射臨界角為 24.5°，因此當鑽石經過適當的 切割琢磨之後，即能顯現出炫麗的光彩。

圖 1－1 鑽石與石墨結構

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Type Feature Color Natural

Abundance Note

Ia

Nitrogen atom concentration up to 0.3%, clustered together within the carbon

lattice

Colorless,

yellow 98% Most natural

diamonds

Ib

Nitrogen atom concentration up to 500ppm, spread evenly throughout the

carbon lattice

Yellow,

orange, brown 0.1%

Almost all synthetic diamonds

IIa No or little nitrogen atoms contained

Colorless, yellow, brown,

pink, purple

1–2% The “purest”

diamonds

IIb No or little nitrogen but boron contained

p-type semiconductor Blue, gray 0.1%

表 1－1 鑽石的種類與特性 ¹⁴

鑽石可依據晶體內的雜質原子含量不同而分為四大類（表 1－1）。

Type I 為含有雜質原子氮的鑽石，依其含氮量的多寡可分為 Type Ia 與 Type Ib 兩種。大部分的天然鑽石都屬於 Type Ia，其內部的氮原子 多聚集成大團或版狀（platelet）呈現淡黃色，又依氮聚集方式細分為 type IaA 碳原子鄰近位置有兩個氮原子聚集（A aggregates），以及 type IaB 碳原子周圍四個位置都是氮原子（B aggregates）。而 Type Ib 鑽 石中氮原子含量極少，約僅有 500 ppm，人工合成的鑽石大都屬於此 類。Type IIa 為純淨幾乎不含雜質的鑽石，透過切割與車工後即為一 般市售寶石級鑽石。而 Type IIb 鑽石參雜有其他元素如硼原子，可做 為 P 型半導體材料使用。

5 到許多獨特的吸收或螢光帶（absorption/luminescence bands）。

在 type Ib 中，含有較高濃度氮原子（約 200 ppm）的鑽石，所形 成 的 缺 陷 中 心 為 帶 負 電 的 氮 空 缺 中 心 (N-V)^—， 其 零 聲 子 線

（zero-phonon line, ZPL）為 637.2 nm (1.945 eV)¹⁵。而氮原子濃度較 低(<10 ppm)的 Type Ib 鑽石，所形成的缺陷中心為中性不帶電的氮空 aggregates 與空缺形成缺陷中心則為 H4，其零聲子線位置為 496.0 nm (2.499 eV) ¹⁹。表 1－2 為缺陷中心的性質整理。

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圖1－2 各式Nitrogen-vacancy缺陷中心的晶格結構²⁰（灰色：碳 原子，黑色：氮原子以表示，空心虛線：空缺）

Defect center Point group

ZPL

（nm）

λem

（nm）

τ

（ns） ψ

V⁰(GR1) Td 741.2 898 2.55 0.014 (N－V)^－ C3v 637.6 697 11.6 0.99

(N－V)⁰ C3v 575.4 600 … … N-V-N (H3) C3v 503.5 531 16 0.95 N3 + V (N3) C3v 415.4 445 41 0.29 表 1－2 鑽石的缺陷中心性質 ²¹，zero-phonon line(ZPL)，emission maxima(λ_em)，Emission lifetimes(τ)，quantum effciencies(ψ)

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