Kim cương là một dạng thù hình của carbon có cấu trúc tinh thể lập phương kiểu kim cương. Đặc tính của kim cương là tính siêu cứng, không nén được và chúng được nghiên cứu để áp dụng trong lĩnh vực điện và quang học. Do tính chất không đồng nhất giữa các cá thể kim cương tự nhiên hoặc kim cương đen nên việc sử dụng kim cương đại trà trong công nghiệp là không khả thi. Vì thế hiện nay người ta dần chuyển hướng nghiên cứu chủ đạo sang kim cương nhân tạo.

Kim cương nhân tạo

Nhờ sự phát triển của công nghệ và kỹ thuật, việc tổng hợp kim cương nhân tạo dưới áp suất cao ở Thụy Điển (1953)[16][17] và Hoa Kỳ (1954)[18] đã đánh dấu một mốc lịch sử trong lĩnh vực tổng hợp vật liệu siêu cứng nhân tạo, đồng thời cho thấy tiềm năng ứng dụng áp suất cao trong lĩnh vực công nghiệp cũng như gây sự chú ý trong giới khoa học. Bốn năm sau đó người ta đã tổng hợp thành công bor nitride cấu trúc tinh thể lập phương (c-BN), chất rắn có độ cứng chỉ đứng sau kim cương.[19]

Kim cương nhân tạo tồn tại dưới dạng đơn tinh thể liên tục hoặc nhiều hạt tinh thể liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là biên giới hạt.[20] Một hạt tinh thể bao gồm nhiều siêu hạt có thể thấy được bằng mắt thường do các siêu hạt hấp thụ ánh sáng và tính tán xạ của vật liệu.[21]

Độ cứng của kim cương nhân tạo phụ thuộc nhiều vào độ tinh khiết tương đối của tinh thể, dao động trong khoảng 70–150 GPa. Cấu trúc của tinh thể càng ít khiếm khuyết thì độ cứng của kim cương nhân tạo càng cao. Một số báo cáo cho rằng các tinh thể kim cương tổng hợp bằng phương pháp HPHT và các thể nano của kim cương (sợi kim cương nano tổng hợp) cứng hơn kim cương tự nhiên.[21]

Trước đây người ta cho rằng kim cương tổng hợp phải có cấu trúc hoàn hảo mới có tính ứng dụng. Quan điểm này tồn tại vì kim cương được ưa chuộng nhờ tính thẩm mỹ và các khiếm khuyết trong cấu trúc hay thành phần kim cương có thể thấy được phát hiện bằng mắt thường. Mặc dù quan điểm trên đúng, một số thuộc tính liên quan tới những sai biệt về khiếm khuyết tạo tiền đề cho việc phát hiện ra một số ứng dụng tiềm năng mới của kim cương nhân tạo. Ví dụ, kim cương pha tạp nitơ có sức bền vật liệu cao hơn[22] hay kim cương pha tạp lượng bor tới vài phần trăm tổng số nguyên tử (atomic percent) thì trở thành chất siêu dẫn.[23]

Vật liệu carbon vô định hình dày đặc

AM-III, hình thành thông qua quá trình luyện fuleren trong nhiệt độ cao, là một dạng carbon vô định hình dày đặc trong suốt với độ cứng Vickers là 113 GPa[24] và hiện là vật liệu vô định hình cứng nhất.