Materials Studio——CASTEP基础教程「20」

4.4.1 同素异构体:金刚石和石墨

互为同素异构体的金刚石与石墨性质迥异，其基本原因在于晶格点阵导致的电子结构不同。金刚石面心立方结构的能带结构如图4.22 (a) [9]所示， G 点是原点，图中费米能级附近共有16 条能带，价带顶的位置位于G 点，导带底的位置也在G 点。直接跃迁至少需要的能量约为6.0eV ，而间接跃迁为5 .47eV o 由于金刚石具有如此宽的禁带，因此为绝缘体。

图4.22 ( b) 中石墨的导带和价带在费米能级为零的地方发生接触，说明石墨是一种没有能隙的物质[9] 。在石墨层中的每个C 原子与周围3 个C 原子形成3 个定域σ 键后，在垂直于层的方向上尚剩余1 个2p 轨道和1 个价电子，它们互相叠加形成离域，键贯穿于整个层。石墨是零带隙半金属，关键是内部的离域π 键结构。2p 电子可以在整个平面层中自由活动，具有金属键的性质，因而可以导电。但是2p 电子被束缚在层间，不易在层与层之间活动，所以石墨具有明显的各向异性特征。在石墨中，虽然在同一层里最近邻原子间有很坚固的Sp2 共价键，但是层与层之间通过微弱的分子间力(范德瓦耳斯力)相结合，使它比金刚石更有可压缩性。因此，石墨是一个很好的固体润滑剂。石墨晶体中同时含有共价键、金属键和分子间力，因此石墨是化学键混合型晶体。