前面講了氮、氧元素對(duì)金剛石性能的影響，今天分享硼元素對(duì)金剛石性能的影響，硼也是個(gè)很神奇的元素。

       金剛石是碳的一種結(jié)構(gòu)。在金剛石晶體中，每個(gè)碳原子有4個(gè)最鄰近的碳原子和12個(gè)次鄰近的碳原子。在一個(gè)單位立方體內(nèi)有8個(gè)原子。由于硼原子的半徑較碳原子半徑小，容易進(jìn)入金剛石晶體晶格中，硼在金剛石晶體中存在3種可能的形式:一種是硼原子取代碳原子的位置；第二種是硼原子位于碳原子之間；第三種是硼原子還可填補(bǔ)金剛石晶體生長過程中所出現(xiàn)的缺陷，特別是表面缺陷，它們都會(huì)對(duì)金剛石晶體性能產(chǎn)生影響。

       金剛石晶體中的硼可通過添加硼或硼化物的途徑來實(shí)現(xiàn)。由于硼原子的引入，使金剛石的抗氧化性、導(dǎo)電性、化學(xué)情性及力學(xué)性質(zhì)都發(fā)生了明顯的變化。

       含硼金剛石晶體中的硼含量一般很低，但對(duì)改善和提高金剛石晶體性能的影響是顯著的。研究結(jié)果表明，硼元素對(duì)金剛石的影響主要在以下幾個(gè)方面：

       一、抗氧化性能

       含硼金剛石抗氧化性比普通金剛石好，并隨其中硼含量增加而增加。

       在金剛石晶體表面上，每個(gè)碳原子只用3個(gè)價(jià)電子與內(nèi)部的3個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，還有1個(gè)懸鍵沒有被利用，因而容易與外來缺電子的原子發(fā)生反應(yīng)。由氧原子的電子配布式1s2 2s2 2p4可知，還有兩個(gè)電子才能把2P排滿，因此是一個(gè)缺電子原子，當(dāng)它與金剛石表面的碳原子接觸時(shí)，就很容易吸收碳原子多余的電子而相互結(jié)合成鍵，最后形成CO跑掉，這個(gè)現(xiàn)象就是金剛石的氧化。

       當(dāng)金剛石中摻進(jìn)硼時(shí)，由硼原子的電子配布式1s22s22p1可知，硼為三價(jià)。結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，從中可以看出含硼金剛石和普通金剛石的主體結(jié)構(gòu)相似，只是由于碳原子的一些位置被硼原子替代，使其具有了不同的原子結(jié)構(gòu)。硼的3個(gè)價(jià)電子與碳原子的懸鍵結(jié)合成共價(jià)鍵，使得含硼金剛石結(jié)構(gòu)沒有懸鍵，即多余價(jià)電子被結(jié)合，形成了硼碳原子相結(jié)合的共價(jià)鍵并具有穩(wěn)定的狀態(tài)，所以含硼金剛石具有抗氧化性和耐熱性，實(shí)驗(yàn)表明，含硼金剛石的表面起始氧化溫度比普通金剛石的高150℃~250℃。

       二、抗壓強(qiáng)度

       我們所熟知的金剛石晶形越完整，抗壓強(qiáng)度越高；反之則低。普通金剛石晶形完整，多呈等積形，而含硼金剛石晶形不完整，雖非等積狀。理論上含硼金剛石的抗壓強(qiáng)度值應(yīng)低于普通金剛石，但實(shí)測結(jié)果卻是含硼金剛石抗壓強(qiáng)度還稍高于普通金剛石。

       人造金剛石由于生長過程中的某些原因，致使其存在氣泡、位錯(cuò)、雜質(zhì)包裹體等缺陷，這些缺陷將導(dǎo)致其機(jī)械性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值。由于硼原子半徑較小，在高溫(1273K)時(shí)化學(xué)活性迅速增加。因此，硼原子能在石墨轉(zhuǎn)化金剛石過程中較容易填補(bǔ)到金剛石的缺陷處；使金剛石的結(jié)構(gòu)更為致密，從而使金剛石強(qiáng)度提高。

       三、導(dǎo)電性

       金剛石晶體構(gòu)造是典型的原子晶格，典型的原子晶格中無自由電子存在，因而是不導(dǎo)電的。普通金剛石之所以是絕緣體，不但因?yàn)樗?個(gè)價(jià)電子，而且禁帶寬度很大，約5.5電子伏特。

       實(shí)踐證明，微量的化學(xué)雜質(zhì)可以控制半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。例如，以1個(gè)硼原子和105個(gè)硅原子的比例將硼加入硅內(nèi)，則在室溫下，電導(dǎo)率增加103倍，因?yàn)榈湫偷娜齼r(jià)雜質(zhì)硼可從價(jià)帶內(nèi)取得電子，而留下空穴。

       如將硼原子引入金剛石晶體，其能帶狀態(tài)將發(fā)生變化。因?yàn)榕鸬耐鈬挥?個(gè)電子，在組成價(jià)健時(shí)總?cè)鄙?個(gè)電子，形成1個(gè)負(fù)電中心，也就產(chǎn)生了1個(gè)空穴；由于硼原子的引入，使得空穴數(shù)目大大增加，所以其導(dǎo)電性也就大大增強(qiáng)。

       四、化學(xué)惰性

       化學(xué)惰性在這里表現(xiàn)在普通金剛石和含硼金剛石對(duì)鐵及其合金的親合力的大小，即一般所說的粘附性上。為什么普通金剛石在加工鐵及其合金時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的粘附，而含硼金剛石則很少產(chǎn)生粘附呢？

       跟前面所講抗氧化性能原理相似，普通金剛石表面碳原子多余1個(gè)價(jià)電子沒有利用，而Fe(γ )是1個(gè)缺電子原子，3d層尚未填滿，并具有吸引金剛石表面碳原子的能力，再加上它們晶體結(jié)構(gòu)的相似性和密排面上的間距十分接近，因此金剛石的密排面(111)面容易與Fe(γ )的密排面(111)面接觸，而且兩者密排面上的原子有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系及其間的相互作用揭示出嚴(yán)重粘附的內(nèi)在原因。

       如果硼原子與金剛石晶體表面碳原子多余的1個(gè)價(jià)電子結(jié)合，使得表面與原來的金剛石表面結(jié)構(gòu)有著明顯的不同。雖然變化后的表面結(jié)構(gòu)與Fe(γ )密排面上的原子也呈良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但因它沒有多余的價(jià)電子與Fe(γ )密排面上原子相互作用（聯(lián)接成鍵）而產(chǎn)生粘附作用。

       所以不會(huì)產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，不形成切削瘤，工件的加工質(zhì)量顯著提高。

       五、顏色

       金剛石由于硼含量濃度的不同，分別呈無色、藍(lán)色或黑色?，F(xiàn)已廣泛用于半導(dǎo)體材料以及磨料磨具材料。

       六、沖擊韌性

       黑色含硼金剛石工具有良好的沖擊韌性，制成的刀具在載荷斷續(xù)切削硅鋁合金、鈦合金、玻璃鋼等材料時(shí)具有較長的壽命。

       七、耐磨性

       含硼金剛石具有良好的耐磨性，適合研磨硬而韌的材料，還可用作耐磨涂層、磨料、鉆頭、切削刀具等。

       八、半導(dǎo)體性能

       對(duì)于純凈的金剛石而言，由于它內(nèi)部沒有自由移動(dòng)的電子且具有5.5ev的寬禁帶，因此電阻率很高，可作良好的電絕緣體；不過當(dāng)金剛石中摻入第Ⅲ族或者第Ⅴ族元素后，金剛石可由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體甚至導(dǎo)體。具有三個(gè)價(jià)電子的硼原子進(jìn)入金剛石晶格后會(huì)以替位形式取代碳原子成為受主中心，晶格中產(chǎn)生空穴載流子，金剛石成為空穴半導(dǎo)體，這種摻雜稱為P型摻雜。隨硼含量的增加，金剛石的電導(dǎo)率增加。在高溫、大功率電子器件的應(yīng)用方面具有極大發(fā)展前景。