胡仁涛，陆境莲，朱光明，汤皎宁

（深圳大学材料科学与工程学院深圳市特种功能材料重点实验室，广东 深圳 518060）

1 类石墨非晶碳膜的结构

碳原子核外有四个电子，其结构为2s2 2px1 2py1［1］，碳原子参与成键时，2s轨道的一个电子会激发到2pz轨道上，碳原子由基态变为激发态，核外电子结构排布变为2s1 2px1 2py1 2pz1。碳原子的轨道杂化分为三种类型：sp1、sp2和sp3。（如图1所示）按照sp1杂化的的碳原子，它的一个2s轨道和一个2p轨道在空间形成直线结构的δ键，轨道对称轴之间的夹角为180°，另外两个未杂化的2p轨道以π键形式与δ键在空间形成两两相互垂直的结构；按照sp2杂化的碳原子，它的一个2s轨道和两个2p轨道在空间形成等边三角形结构的三个δ键，轨道对称轴之间的夹角为120°，另外一个未杂化的p轨道以π键的形式与这三个δ键构成的平面相垂直；按照sp3杂化的碳原子，它的2s轨道和三个2p轨道在空间形成正四面体结构的四个δ键，轨道对称轴之间的夹角为109°28′，这种杂化形式不存在π键。

图1 碳原子的三种杂化形势［2］Fig.1 Three hybridization of carbon atoms［2］

δ键是一种结合力极强的共价键，不易断裂，而π键是一种以范德华力结合的分子键，容易断裂。当碳原子全部以sp2杂化形式堆积时，可以形成零维的单质富勒烯、一维的碳纳米管甚至二维的单层石墨烯，单层石墨烯层与层之间靠π键形式的范德华力相连接时，又会形成三维的石墨结构。由于π键结合力很弱，断裂时能够释放π电子［3］，所以石墨是一种宏观上性质柔软、导电性好的碳材料。当碳原子全部以sp3杂化形式堆积时，在空间形成很多个四面体结构互相交联的稳定的网络，并且由于δ键本身很稳定，所以它构成了自然界最硬的物质金刚石，由于没有π电子形成，所以金刚石是绝缘的。……