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Nature:世界首次合成非晶态类金刚石碳材料
2021年12月10日 发布 分类:技术前沿 点击量:569
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1124日,Nature分别发表了两个科研团队合成非晶态(次晶态)金刚石(碳材料)的科研成果,主导团队分别来自吉林大学超硬材料国家重点实验室(题目Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene)和北京高压科学技术先进研究中心(题目Synthesis of paracrystalline diamond)。

富勒烯 C60 转化为金刚石玻璃

研究人员使用多砧压机将富勒烯 C60 转化为金刚石玻璃,类似于在高压设备中将石墨转化为金刚石的过程。

据悉,吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授团队合成的块体非晶碳,品质极高, sp碳含量最高可达97.1%,光学带隙可高达2.7eV;维氏硬度值达102GPa(9.8N载荷),可与金刚石媲美;热导率达26W/mK,是目前非晶材料中发现的硬度、热导率最高的材料。

为了破解这一难题,刘冰冰教授团队从2017年就开始攻关大腔体压机超高压技术,最终利用国产的硬质合金压砧打破了商用Walker型大腔体压机的压力极限,发展了大腔体压机毫米级样品腔超高压产生关键技术,在高温条件下实现了高达37万大气压的超高压力,借此技术成功获得了毫米级近全sp3非晶碳块材。“我们合成的超硬非晶碳块材具有极高的硬度,可以独立应用于不同领域,有着广泛的应用前景。”该研究第一作者尚宇琛博士介绍,“比如,用于切割磨削工具,有望直接加工并镶嵌在刀具上,提高加工效率。”

“此外,非晶的无序结构使其表面更光滑,无各向异性,具备更好的可塑性,可以加工成任意形状,有望实现高精密切割与抛光。光学窗口方面,我们合成的样品块体硬度高、透光性好,有望直接加工成红外光、X光等窗口。此外,我们合成的块体非晶碳材料还具有半导体性质,其光学带隙可以随着sp3含量的增加,进行大范围的调控(1.8-2.7eV),因此在太阳能电池、光伏半导体、光电探测领域均有潜在应用价值。”

次晶金刚石

次晶金刚石由占主导地位的亚纳米尺寸的次晶(立方和六角形)组成,这些次晶具有明确的晶体中程有序度,最高可达几个原子层。

北京高压科学研究中心缑慧阳研究员团队使用富勒烯(C60)作为原料通过自主开发的大腔体压机极端高压技术对富勒烯进行高温高压(30 GPa,1500-1600 K)处理,发现压缩的富勒烯聚合转变成为一种高密度无序以sp3键结合的碳。高分辨透射电子显微镜显示样品中存在高密度且均匀分布的类晶体团簇(尺寸为0.5-1.0 nm),其原子构型接近于立方和六方金刚石并且具有很高的晶格畸变,这种由亚纳米尺寸次晶为主要构成的金刚石被称为次晶金刚石(Paracrystalline diamond)。他们进一步用大尺度分子动力学模拟证实了这种隐藏的结构有序性,建立了与实验结果高度匹配的次晶金刚石模型。

次晶态金刚石显示出优越的力学性能和热稳定性,在高端技术领域和极端环境应用领域具有重要的应用前景。次晶金刚石的发现不仅丰富了碳材料的结构形态而且有利于进一步开发新型类金刚石材料。重要的是,这种次晶态的存在从结构拓扑上链接非晶态和晶态,对于揭示共价非晶材料的复杂结构具有深远意义。

 

编译整理 YUXI

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