碳元素的這兩類結晶，人們非常熟悉。首先想到的是因結構不同，金剛石硬的要命，石墨軟的要死。近年由于單片石墨的石墨烯，走上材料科學前沿，成為應用的功能材料，大有青出于藍而勝于藍的架式。金剛石以前主要作為人們玩物和抗硬先鋒。石墨早已是工業原料。當前兩類材料已有廣泛重要應用，未來必将有更多方面應用進入材料科學前沿，有必要利用已報導的晶體結構資料，讨論分析這兩類晶體結構相關性，各自多型性對性能影響。

然而要讨論它們各自多型性，必要先說清二者截然不同的結構狀态，然而又有密切的結構關系。

為了理解和描述方便，先從單片石墨（石墨烯）說起。這裡說的内容和以前的文章有點重複。沒辦法，該重複不得不重複。

碳原子結合成六元環，六元環連成蜂窩狀網格，這是單片石墨結構，不是二維晶格。見圖（1）。

圖1.單層石墨結構圖與晶格關系

該圖是從網上搬來的。為了抽取晶格，觀察方便，将碳原子标出不同顔色。該圖原來标注等同點數是2。並且分别用紅線和黑線畫出晶格，給人的感覺似乎等同點隻能取在原子上。不是這樣。圖中也畫出來了，也可以取碳的六元環中心，用綠線畫出。讀者還可以嘗試一般情況，将等同點取在周期的任意一點，得的将是同樣晶格，即周期性是一定的，六角晶格。現在把二維六角晶格單獨畫出。見圖（2）。

圖（2）.二維六角晶格及對稱要素分布

晶格常數a＝b＝0.2456nm。為了叙述和觀察方便，圖中的虛線是加上去的。這樣可以分出兩種三角形。一種尖朝上，另一種尖朝下。比以前文章更清楚。定義格點處的位置為A點，尖朝上三角形中心為B點，尖朝下三角形中心為C點。

石墨有兩種常見的物相，即2H石墨和3R石墨。也還有4H型石墨。依據報導的金剛石多相性，石墨多相性也不會少，隻是不易觀察，不易發現。已知報導較少。因單晶或高度取向多晶的（00L）衍射是不能區分石墨不同物相的。

2H石墨就是ABAB……堆垛，即将二維晶格作矢量平移（2／3）a＋（1／3）b 〈1／2）c。見圖（3）的2H石墨結構。

圖（3.）.2H型石墨的結構圖

3R石墨是單分子片作ABCABC……堆垛，即二維晶格‘作矢量（2／3）a＋（1／3）b （1／3）c平移，再作（1／3）a＋（2／3）b＋（2／3）c平移，形成3R石墨結構。見圖（4）的（b）圖。（a）圖可以用來表示3R型石墨轉變為3C金剛石的結構關系。在垂直方向石墨是六角晶格的【001】方向，金剛石是立方晶格的【111】方問。

圖（4），3H石墨及3C金剛石結構圖

3R型石墨結構具有的晶格如圖（5）.所示。

圖（5）.三方晶格及不同晶胞選取圖

可以看到，呈現三種晶胞，即三菱柱形晶胞，三個菱柱形晶胞拼到一起的六角晶胞，反映晶體3次對稱性（三方晶系）的菱面體晶胞。通常給出晶格參數是三角晶胞，即六方晶胞。菱面體晶胞也用，但用的較少。

石墨晶體二維分子片層間距約為c＝0.3365nm。這個間距不同物相對應不同指數，2H相為（002），3R相取六角晶胞時為（003），取菱面體晶胞時為（111），4H相為（004）。實驗數據都有較小誤差。

應該注意到，石墨片的2維晶格的c方向具有6次對稱性，ABAB……平移的2H型石墨保留了c方問的6次對稱性。“2”是兩層一重複，H表示是六方晶系。而3R石墨是ABCABC……平移，該相石墨晶體結構c方向失去6次對稱性，降低為3次對稱性，是三方晶系（或稱菱形晶系）。“3”表示三層一重複，R表示三方晶系。還有4H型石墨，判斷為ABCB.ABCB……。即保證同位置不相遇又4層一重複。其它更高層重複的物相也應該是這樣規律。

在晶體幾何上，石墨轉變為金剛石，堆垛方式不變。石墨層内的六元環的C一C原子間，含共價鍵以金屬鍵為主的化學鍵完全轉變為共價鍵，按圖（1）的黑色球表示的碳原子與紅色球表示的碳原子分别向上和向下分開兩層，與上下相臨層石墨分子鍵變形變價過來的碳原子形成共價鍵，成四面體共價配位，轉變成金剛石。具體到2H石墨轉變為2H金剛石，保留了6次對稱性。這種金剛石為六方金剛石，稱為郎斯德石。3R石墨轉變為3C金剛石。3為三層一重複，C代表立方晶系，除了原來的3次對稱軸，又在晶體的4次對稱作用下（立方晶系的c方向）形成另3個3次軸，成為典型的立方晶系金剛石結構。如圖（6）所示。

圖（6）.不同方問表達的金剛石結構圖

左圖垂直方向是原來的c堆垛方向，對應着六角晶系的c方向。轉變3C金剛石後的層間堆垛方向是立方晶系的【111】方向，即立方晶胞的體對角線方向。2H的郎斯德石也作同樣價态及配位轉變。c軸與石墨的堆垛方向相同。

這就為高溫高壓法将石墨轉變成金剛石提供一個信息。石墨原料如果是純3R石墨，隻要轉變金剛石，就應該是立方金剛石。如果石墨原料是2H石墨就應該轉變為郎斯德石，也稱六方金剛石。如果石墨原料多相共存，就會轉變成立方和六方金剛石共存。

在X射線衍射數據庫查到的不同型物相，各選一個代表在附彔中列出。見附彔。

從數據庫查到的物相，原來以為石墨的同質異構會多些，結果恰恰相反，而是金剛石多。列出來看一看吧。前邊數字表示一個周期所含層數，後邊字母表示晶系。金剛石有：2H，3C，4H，6H，8H，10H，15R，21R。石墨的不同物相有2H，3R，4H。更多的沒查到。看這些物相發現一個規律，偶數層物相都還是六方晶系，奇數層是三方（菱形）晶系。其中3C結構為典型金剛石。

金剛石的六角二維晶格a＝b＝0.2522nm，層間距為0.2058nm。相對應的指數2H相為（002），3C相為立方晶胞的（111），4H相為（004），……21H相為（00.21）。數據庫說是（107）有誤。各相有很小的誤差。

從原理上判斷，無論是石墨還是金剛石結晶，各自的已有不同物相（同素異構體）的二維晶格是相同的，可以形成共格結晶。可以形成不同重複的物相新的結晶相。下限是單層石墨，即石墨烯。三維晶體下限始于2H，上限最後形成A、B、C位随機排列的必将是2＋1≠3的結構狀态。表達中的“2”是二維晶格，“1”是一維周期，即以碳“分子層”為結構單元形成的等間距周期。這種結構狀态相當于二維晶格和一維周期獨立存在。實際上石墨結構觀察到這種結構狀态，反而金剛石沒看到這種結構狀态。

不同相結晶時，可以三方晶系和六方晶系共格結晶，是溫度、壓力變化産生性能和影響性能的不可忽視的機理。

總結一下。當前金剛石制備或由石墨轉變成金剛石仍然難度較大。二者結構不同，化學鍵不同，性能不同，應用不同。但二者關系又是密切的，同是碳元素，二維周期性都是六角晶格。原理上堆積方式相同。已有成功例證，在極端條件下将石墨轉變為金剛石。石墨和金剛石系列結構可分别各自多相共格結晶，一個“單晶”可有共格的兩種晶系（六方和三方），形成更多的微結構狀态，必将對材料性能有重要影響。某種神奇性能的發現，在溫度、壓力作用下可能就和這種結構狀态相關。不能把它們結構狀态想的那麼理想，那麼典型。

附彔：已有報導的金剛石和石墨結晶相。

石墨：

（PDF号，空間群，晶格數a，b，c，單位nm）

41一1487，2H，P6（3）／mmc（194），0.2470，0.6724。

26一1079，3R，R3（146），0.2456，1.004。

26一1080，4H，P6（3）mc（186），0.2456，1.339。

75一444，3R，R3m（166），a＝b＝c＝0.3635，α＝β＝γ＝36.820度，（選取了菱面體晶胞）。……。

金剛石：

79一1468，2H，P6（3）／mmc（194），0.2522，0.4118。（郎斯德石）

6一675，3C，Fd3m（227），a＝b＝c＝0.3566。（典型金剛石）

79一1467，3C，Fd3m（227），a＝b＝c＝0.3566。（典型金剛石）

79一1469，4H，P6（3）／mmc（194），0.2522，0.8237。

50一1082，4H，P6（3）／mmc（194），0.2522，0.8237。

50一1083，6H，P6（3）／mmc（194），0.2522，1.235。

79一1471，8H，P6（3）／mmc（194），0.2522，1.647。

50一1085，15R，R3m（166），0.2522，3.088。

79一1473，21R，R3m（166），0.2522，4.324。

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