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[[Datei:Diamond cubic animation.gif|mini|[[Kubisches Kristallsystem|Kubische Kristallstruktur]] des Diamanten.]]
Die '''Diamantstruktur''' (auch '''Diamantgitter''', '''A4-Typ''' oder '''Diamanttyp''') ist eine [[Kristallstruktur]], das heißt das Anordnungsmuster der Atome eines kristallinen Materials. Entdeckt wurde dieser [[Strukturtyp]] beim [[Diamant]]en, einer [[Polymorphie (Stoffeigenschaft)|Modifikation]] des [[Kohlenstoff]]s, aber auch weitere Materialien mit Atomen aus der [[Kohlenstoff-Gruppe|4. Hauptgruppe]] ([[Wertigkeit (Chemie)|vierwertige]] [[chemisches Element|Elemente]]) können in dieser Struktur kristallisieren, beispielsweise [[Silicium]], [[Germanium]] und [[Siliciumgermanium|Silicium-Germanium-Legierungen]] sowie α-[[Zinn]].<ref name="Rudolf Gross, Achim Marx">{{Literatur |Autor=Rudolf Gross, Achim Marx |Titel=Festkörperphysik |Verlag=Oldenbourg Verlag |Jahr=2012 |ISBN=348671294-2 |Seiten=30 |Online={{Google Buch | BuchID = 4BY31IukHI8C | Seite = 31 }}}}</ref> Analog zum kristallinen Diamanten können auch niedermolekulare Verbindungen des Kohlenstoffs die Diamantstruktur aufweisen, sogenannte [[Diamantoide]]. Ihr einfachster Vertreter ist das [[Adamantan]].<ref name="Kurt Peter C. Vollhardt, Neil E. Schore">{{Literatur | Autor = Kurt Peter C. Vollhardt, Neil E. Schore | Titel = Organische Chemie | Verlag = John Wiley & Sons | ISBN = 352732754-1 | Jahr = 2011 | Online = {{Google Buch | BuchID = 3eIXefCwsEMC | Seite = 168 }} | Seiten = 168 }}</ref>

== Aufbau ==
[[Datei:Sp3-Orbital.svg|mini|Vier sp3-Hybridorbitale richten sich tetraedrisch in gleichem Winkel zueinander aus.]]

Die Diamantstruktur besteht aus einem [[Kubisches Kristallsystem|kubisch]]-flächenzentrierten [[Kristallstruktur|Gitter]] und der [[Basis (Kristall)|Basis]] {(0,0,0), (1/4,1/4,1/4)}. Anschaulich kann man die Diamantstruktur auch als Kombination zweier ineinander gestellter kubisch-flächenzentrierter Gitter beschreiben, die um 1/4 der [[Raumdiagonale]] gegeneinander verschoben sind.<ref name="Charles Kittel">{{Literatur | Autor = [[Charles Kittel]] | Titel = Einführung in die Festkörperphysik | Verlag = Oldenbourg Verlag | ISBN = 348659755-8 | Jahr = 2013 | Online = {{Google Buch | BuchID = oNSbsO4vNxYC | Seite = 20 }} | Seiten = 20 }}</ref>

Jedes Kohlenstoffatom ist gleichwertig mit vier Nachbaratomen [[kovalent]] gebunden. Die Diamantstruktur entspricht damit der [[Zinkblende-Struktur]] (ZnS) mit dem Unterschied, dass die beiden kristallographischen Lagen (0,0,0) und (1/4,1/4,1/4) in der Zinkblende-Struktur von zwei verschiedenen Ionen besetzt sind. In beiden Strukturen ist jedes Atom mit 4 Atomen des gleichen Elements (beim Diamanten C-Atome) verbunden. Der Grund dafür ist die [[Hybridorbital|Hybridisierung]] der [[Atomorbital]]e der äußersten [[Elektronenkonfiguration|Schale]] des Grundzustandes (Kohlenstoff: 1s22s22p2) zu vier sp3-Hybridorbitalen (1s2 2[sp3]4). Diese vier Orbitale sind aufgrund der elektromagnetischen Abstoßung mit größtmöglichem Abstand bzw. Winkel (109°28´) zueinander symmetrisch im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines gedachten [[Tetraeder]]s.<ref name="Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm">{{Literatur | Autor = [[Will Kleber]], [[Hans-Joachim Bautsch]], [[Joachim Bohm (Kristallograph)|Joachim Bohm]] | Titel = Einführung in die Kristallographie - Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm | Verlag = Oldenbourg Verlag | ISBN = 348659885-6 | Jahr = 2002 | Online = {{Google Buch | BuchID = UvOw8tc8LJEC | Seite = 157 }} | Seiten = 157 }}</ref>

Vereinfachende zweidimensionale Abbildungen von Gittern mit vierwertigen Elementen zeigen ein gewöhnliches zweidimensionales Gittermuster. Im dreidimensionalen Raum nehmen die vier Valenzelektronen jedoch eine Position ein, die den vier Ecken eines Tetraeders entspricht, wobei der Atomkern im Mittelpunkt des Tetraeders liegt. In 2D-Darstellungen der 3D-Struktur von Diamanten wird das Atom gezeichnet, von dem aus sich die vier Ecken des Tetraeders in vier Bindungen (Valenzen) ausstrecken.

Bei Aufsicht auf diese Tetraeder der Diamantstruktur liegen drei Valenzen an den drei Ecken eines gleichseitigen Dreiecks und berühren drei benachbarte Atome, die in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die vierte Valenz liegt in der Mitte des Dreiecks und berührt ein viertes benachbartes Atom in einer anderen Ebene – näher zum Betrachter hin bzw. weiter vom Betrachter weg. In der Diamantstruktur sind die Tetraeder abwechselnd so gedreht, dass die vierte Valenz zum Betrachter zeigt bzw. von ihm weg.

== Symmetrie ==
[[Datei:DiamondPoleFigure111.png|mini|[[Stereografische Projektion]] der ''Diamantstruktur'' in [111]-Richtung]]
Die Diamantstruktur hat die {{Raumgruppe|Fd-3m|lang}}.<ref>{{Literatur|Autor=Koji Kobashi|Titel=Diamond films: chemical vapor deposition for oriented and heteroepitaxial growth|Auflage=|Verlag=Elsevier|Ort=|Jahr=2005|ISBN=9780080447230|Seiten=9|Kapitel=2.1 Structure of diamond}}</ref><ref>{{cite web | url = https://www.uni-konstanz.de/FuF/chemie/felsche/3D_FEST/NICHT/CDK_TXT.HTML | title = Text zu kubischem Diamant| publisher = Universität Konstanz| accessdate = 2011-08-30}}</ref> Es handelt sich also um eine kubische Kristallstruktur.

{{Raumgruppe|Fd-3m|kurz}} ist die gekürzte Schreibweise von ''F''41/''d'' {{overline|3}} 2/''m''. '''''F''''' bedeutet, dass das [[Bravais-Gitter]] flächenzentriert ist, 41/''d'' bedeutet eine 41-Schraubenachse parallel der kristallographischen a-Achse (Drehung um 90° und Verschiebung ([[Parallelverschiebung|Translation]]) um 1/4 in Richtung der a-Achse), die 41-Schraubenachse steht weiterhin senkrecht auf einer „Diamantgleitspiegelebene“<ref name="Werner Massa">{{Literatur | Autor = Werner Massa | Titel = Kristallstrukturbestimmung | Verlag = Springer DE | ISBN = 383489593-8 | Jahr = 2009 | Online = {{Google Buch | BuchID = y0VR0Ba6u58C | Seite = 67 }} | Seiten = 67 }}</ref> (''d''). Entlang der Raumdiagonalen der [[Elementarzelle]] befinden sich dreizählige Drehinversionsachsen {{overline|3}}. Parallel zu den Diagonalen der Flächen der Elementarzelle befinden sich zweizählige Drehachsen (2) und senkrecht dazu Spiegelebenen (''m''). (Siehe dazu auch: [[Hermann-Mauguin-Symbol]])

== Eigenschaften ==
Wie erwähnt kristallisieren die typischen vierwertigen Halbleiter wie Silicium und Germanium in der Diamantstruktur. Durch die starken kovalenten Bindungen existieren keine freien Elektronen und die Materialien weisen bei ''T'' = 0 K (Temperatur am [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]]) abgesättigte Valenzen, d. h. vollbesetzte [[Valenzband|Valenzbänder]] (VB), auf. Das [[Leitungsband]] (LB) ist hingegen völlig leer. Reine Halbleiter ohne Kristallbaufehler sind daher bei ''T'' = 0 K [[Nichtleiter|Isolatoren]], denn es stehen keine Ladungsträger ([[Elektron]]en oder [[Defektelektron]]en) für den Stromtransport zur Verfügung.

Die [[Bandstruktur]] von Materialien mit Diamantstruktur weist meist eine Energielücke (indirekte [[Bandlücke]]) auf. Diese nimmt je nach Element unterschiedliche Werte an (bei 300 K: ''E''g,Diamant =  5,33 [[Elektronenvolt|eV]], ''E''g,Silicium = 1,14 eV, ''E''g,Germanium= 0,67 eV, ''E''g,Zinn= 0,08 eV). Bei den geringen Werten für die Energielücke bei Silicium, Germanium und Zinn reicht bereits die Wärmeenergie bei Raumtemperatur aus, um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu heben.<ref name="Walter J. Moore">{{Literatur | Autor = [[Walter J. Moore]] | Titel = Grundlagen der Physikalischen Chemie | Verlag = Walter de Gruyter | ISBN = 3110099411 | Jahr = 1990 | Online = {{Google Buch | BuchID = u6rSCjFRtoAC | Seite = 744 }} | Seiten = 744 }}</ref> Die Elektronen im LB und die zurückbleibenden Defektelektronen im VB können nun unter dem Einfluss eines von außen angelegten elektrischen Feldes den elektrischen Strom leiten. Dieser Übergang der Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband kann auch durch Photonen verursacht werden ([[photoelektrischer Effekt]]). Außerdem kann die Energielücke durch gezieltes Verunreinigen ([[Dotierung]]) und den damit entstehenden Haftstellen (ortsgebunden) verringert und somit die Leitfähigkeit erhöht werden ([[Störstellenleitung]]).

Da beim Diamanten nur vier der acht [[Tetraederlücke|tetraedrischen Lücken]] von Kohlenstoffatomen besetzt sind, ist das Gitter relativ stark aufgeweitet. Die [[Packungsdichte (Kristallographie)|Packungsdichte]] der Diamantstruktur – nicht nur beim Diamanten – ist somit vergleichsweise klein, nur etwa 34 Prozent des verfügbaren Volumens sind besetzt.<ref name="Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm" />

Die besondere Härte von [[Diamant]] lässt sich mit dem Strukturmodell allein nicht erklären, sie ist eine Folge der besonders festen und gerichteten [[Kovalente Bindung|kovalenten Bindungen]], die die tetraedrischen sp3-Orbitale des Kohlenstoffs eingehen.<ref name="Horst Briehl">{{Literatur | Autor = Horst Briehl | Titel = Chemie der Werkstoffe | Verlag = Springer | ISBN = 383510223-0 | Jahr = 2007 | Online = {{Google Buch | BuchID = GH91Edr5pdIC | Seite = 29 }} | Seiten = 29 }}</ref>

== Literatur ==
*[[Rudolf Gross (Physiker)|Rudolf Gross]], Achim Marx: ''Festkörperphysik.'' Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2012, ISBN 978-3486712940.

== Weblinks ==
{{Commons|Diamond cubic|audio=0|video=0}}
* {{Internetquelle|autor= |url=https://www.geogebra.org/m/tytq7ahe |titel=Interaktive dreidimensionale Darstellung der Diamantstruktur |werk=[[GeoGebra]] |abruf=2021-02-03 |abruf-verborgen=1}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kristallstrukturtyp]]
[[Kategorie:Kubisches Kristallsystem]]
[[Kategorie:Diamant|Struktur]]

Diamantstruktur - Versionsgeschichte

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