石墨到金刚石直接转变理论的新突破

关键词 石墨 , 金刚石|2022-07-29 10:07:11|来源 中国超硬材料网
摘要 人造金刚石生长机理由于在高温高压下检测困难的限制,我们不能直观的了解其变化过程,所以其机理都是由研究者根据晶体的一般规律推理出来的,并且有很多种说法,其中最主要的理论模型包括两类:...

人造金刚石生长机理由于在高温高压下检测困难的限制,我们不能直观的了解其变化过程,所以其机理都是由研究者根据晶体的一般规律推理出来的,并且有很多种说法,其中最主要的理论模型包括两类:一类是不破键观点(无扩散,直接转变观点),包括固相转化说和结构转化说;另一类是破键观点(溶解、扩散观点),包括溶剂说、催化剂说、溶剂一催化剂说等。每一种学说都能解释一部分实验现象,然而都不完美,所有机理都是推测,没有定论。

       由于碳能够通过杂化轨道形成各种键,所以碳有许多同素异形体。在所有的同素异形体中,石墨和金刚石是最普遍的(分别具有sp2和sp3杂化),并且已经被人类广泛利用了几千年。虽然两者都存在于自然界,但是直到上世纪中叶,由石墨合成金刚石才获得成功。从石墨到金刚石的转变可以在不同的合成条件下进行,例如高压高温(HPHT)、有无催化剂、爆炸冲击以及剧烈剪切变形下的低温压缩等。随着生产实验的开展,石墨到金刚石的转变的理论研究仍然是一个重大的课题。

       前不久,燕山大学田永君院士团队赵智胜等人与国内外学者合作,在静高压下部分相变的石墨样品中首次观察并确定了石墨和金刚石之间的共格界面结构,进而阐明了静高压下石墨-金刚石相变机理:石墨层通过两种菱形结构基元和两种矩形结构基元局部键合形成共格界面,通过共格界面向石墨区域的推进,实现石墨到金刚石的转变。结构基元的不同组合形成了变化多样的共格界面结构,导致在金刚石相变区域形成了丰富的亚结构,如层错、孪晶、金刚石多形体等。这种全新的固-固相变机制不同于经典的成核生长和协同切变机制,并可能适用于其他的共价材料,如IVA族单质、IIIA-VA化合物等的固-固相变过程。

       这一研究成果阐明了静高压下石墨到金刚石直接相变这一难题,同时发现了一类具有优异性能组合的新型杂交碳材料。研究成果以“共格界面控制从石墨到金刚石的直接转变(Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond)”为题,于2022年7月6日在线发表于《自然》杂志。   

微信截图_20220729091434.png            

     在这项研究中,作者用最先进的扫描透射电子显微镜(STEM)研究了静态HPHT条件下处理的石墨产物。部分转化的样品的特征在于通过共格界面互锁的石墨和金刚石纳米域。层间距集中在约3.1 Å的石墨畴与具有大量堆垛层错的金刚石畴紧密相连。原子分辨率的高角度环形暗场(HAADF) STEM观测揭示了构成石墨-金刚石界面的四种基本结构图案。理论计算表明,这是一个渐进的石墨-金刚石转变过程,其特征是石墨-金刚石界面的形成和随后金刚石生长界面的推进,这与原子级分辨的界面结构以及原位STEM观察到的界面扩展相一致。这项工作澄清了长期以来对研究者的困惑,第一次成功的静态合成了金刚石。

微信截图_20220729091451.png

       图a表示出了从15GPa和1200 ℃至2000 ℃的温度下恢复的部分转化样品的选定XRD图,以及原始石墨,(00l)峰表示其优异的结晶度。经过HPHT处理后,主要衍射峰与之前在中温压缩石墨中观察到的峰一致,其中不属于CD(立方金刚石)的峰归因于所谓的压缩石墨(3.1 Å和1.55 Å)和HD (六方金刚石)(2.17Å和1.16Å)。然而,这种分配是有争议的。随着合成温度的升高,在相同的加热时间下,CD衍射峰的强度增加,而其他峰逐渐减弱。基于XRD测量构建动力学相图,如图b所示。石墨在低温(T﹤900℃)和低压(P﹤10 GPa)区域保持不变。高于900℃和10GPa时,出现多相区(橙色区域),其中CD与其他亚稳态碳相(如压缩石墨)共存。在足够高的温度和压力下,恢复的样品主要是CD(浅蓝色区域)。

       理解从石墨到金刚石的直接转变是一个长期的挑战,具有重大的科学和实践意义。先前提出的转化机制基于缺乏原子级分辨率的传统实验观察,无法解释转化过程中石墨-金刚石界面出现的复杂纳米结构。燕山大学教授们报道了在静态压缩恢复的部分转化石墨样品中,使用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜,鉴定出由四个基本结构基序组成的石墨-金刚石界面。这些观察为可能的转化途径提供了见解。理论计算证实,与以前提出的其他途径相比,通过这些相干界面的转化在能量上更有利。石墨到金刚石的转变是由纳米级共格界面的形成(金刚石成核)控制的,在静态压缩下,该界面会消耗剩余的石墨(金刚石生长)。这些结果也可能对其它碳材料和氮化硼在不同合成条件下的转变机理有所启发。

       在静态压缩下从石墨到金刚石的转变发生在两个阶段,即共格gradia界面的形成(金刚石成核)和随后界面的推进(金刚石生长)。在这项工作中阐明的转化机制可以作为氮化硼和其他碳材料在高压下的转化提供理论指导。除了转变机制之外,观察到的Gradia标志着在金刚石相关材料的纳米结构和性能方面迈出了一大步,并提供了机械和电子性能组合的机会,例如同时具有超硬度、高韧性和导电性等。

  ① 凡本网注明"来源:金刚石刀具网"的所有作品,均为河南远发信息技术有限公司合法拥有版权或有权使用的作品,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明"来源:金刚石刀具网"。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。
② 凡本网注明"来源:XXX(非金刚石刀具网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在30日内进行。
※ 联系电话:0371-67667020

延伸推荐

“哈密育晶+河南深加工”模式显成效 豫哈两地金刚石产业集群初具规模

“哈密育晶+河南深加工”模式显成效 豫哈两地金刚石产业集群初具规模

​在“双碳”目标引领下,河南省与哈密市通过创新“政府+商(协)会+企业”三维联动机制,共同搭建的豫哈零碳科技产业援疆平台成效显著。截至今年6月底,该平台...

日期 2025-08-01   刀具新闻
国际金刚石及相关材料应用大会聚焦电子装备创新,全球顶尖学者共绘产业蓝图

国际金刚石及相关材料应用大会聚焦电子装备创新,全球顶尖学者共绘产业蓝图

​2025年7月28日—29日,郑州嘉锦酒店内学术氛围热烈,国际金刚石及相关材料应用大会进入第二阶段——国际会议。作为全球超硬材料领域规模最大、规格最高...

日期 2025-08-01   刀具新闻
2025国际金刚石及相关材料应用大会启幕

2025国际金刚石及相关材料应用大会启幕

​7月26日,汇聚中外顶尖专家、企业家和青年学者的2025国际金刚石及相关材料应用大会在郑州启幕。第十一届中国超硬材料产业发展大会同期举办......

日期 2025-08-01   刀具新闻
国际金刚石及相关材料应用大会在郑州召开,中国超硬材料产业再迎高光时刻

国际金刚石及相关材料应用大会在郑州召开,中国超硬材料产业再迎高光时刻

2025年7月27日,由中国机械工程学会主办,中国机械工程学会金刚石及制品分会、河南省机械工程学会承办的国际金刚石及相关材料应用大会(DMA2025)在...

日期 2025-08-01   刀具新闻
金刚石类散热封装材料与器件研讨会在许昌召开

金刚石类散热封装材料与器件研讨会在许昌召开

为推动金刚石类散热封装材料与器件的技术创新与产业应用,7月25日,由许昌市工业和信息化局、科技局、许昌市投资集团有限公司主办,河南黄河旋风股份有限公司、...

日期 2025-08-01   刀具新闻
投资2.16亿元!多晶金刚石超硬磨具智能化量产项目成功签约

投资2.16亿元!多晶金刚石超硬磨具智能化量产项目成功签约

7月15日、16日,炎陵高新区分别与投资2.16亿元的多晶金刚石超硬磨具智能化量产项目和投资3.36亿元的稀有金属材料高值化集成利用项目成功签约.......

日期 2025-07-18   刀具新闻
总投资30亿元!厦门碳索金刚石项目签约落户阳江

总投资30亿元!厦门碳索金刚石项目签约落户阳江

7月11日,阳江滨海新区(阳江高新区)与厦门碳索投资有限公司举行半导体新材料生产基地项目签约仪式,标志着一个专业从事高端金刚石材料研发与制造的国家高新技...

日期 2025-07-18   刀具新闻
金刚石产业跨省协同 哈密布局45亿元育晶基地

金刚石产业跨省协同 哈密布局45亿元育晶基地

​在“双碳”目标引领下,河南省与哈密市创新探索“政府+商(协)会+企业”三维联动机制,共同搭建的豫哈零碳科技产业援疆平台成效显著。截至今年6月底.......

日期 2025-07-18   刀具新闻
金刚石相关第一个由中国主持制定的国际标准正式发布!河南联合精密材料主持制定全球纳米金刚石应用新标准正式发布!

金刚石相关第一个由中国主持制定的国际标准正式发布!河南联合精密材料主持制定全球纳米金刚石应用新标准正式发布!

​2025年7月7日,由河南联合精密材料股份有限公司主持制定的国际标准ISO6031:2025《ISO6031:2025Functionalextend...

日期 2025-07-18   刀具新闻