4.4.1 同素異構(gòu)體:金剛石和石墨

互為同素異構(gòu)體的金剛石與石墨性質(zhì)迥異，其基本原因在于晶格點陣導(dǎo)致的電子結(jié)構(gòu)不同。金剛石面心立方結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)如圖4.22 (a) [9]所示， G 點是原點，圖中費米能級附近共有16 條能帶，價帶頂?shù)奈恢梦挥贕 點，導(dǎo)帶底的位置也在G 點。直接躍遷至少需要的能量約為6.0eV ，而間接躍遷為5 .47eV o 由于金剛石具有如此寬的禁帶，因此為絕緣體。

圖4.22 ( b) 中石墨的導(dǎo)帶和價帶在費米能級為零的地方發(fā)生接觸，說明石墨是一種沒有能隙的物質(zhì)[9] 。在石墨層中的每個C 原子與周圍3 個C 原子形成3 個定域σ 鍵后，在垂直于層的方向上尚剩余1 個2p 軌道和1 個價電子，它們互相疊加形成離域，鍵貫穿于整個層。石墨是零帶隙半金屬，關(guān)鍵是內(nèi)部的離域π 鍵結(jié)構(gòu)。2p 電子可以在整個平面層中自由活動，具有金屬鍵的性質(zhì)，因而可以導(dǎo)電。但是2p 電子被束縛在層間，不易在層與層之間活動，所以石墨具有明顯的各向異性特征。在石墨中，雖然在同一層里最近鄰原子間有很堅固的Sp2 共價鍵，但是層與層之間通過微弱的分子間力(范德瓦耳斯力)相結(jié)合，使它比金剛石更有可壓縮性。因此，石墨是一個很好的固體潤滑劑。石墨晶體中同時含有共價鍵、金屬鍵和分子間力，因此石墨是化學鍵混合型晶體。