新型碳基纳米材料:类金刚石轻松合成金刚石

关键词 纳米材料 , 金刚石|2020-03-12 09:26:47
摘要 近日,来自美国地质科学材料与能源学科研究团队的SulgiyePark和北京先进研究与先进辐射源团队的工作人员在《ScienceAdvances》上发表文章,声称已经利用“类钻石”作...

近日,来自美国地质科学材料与能源学科研究团队的SulgiyePark和北京先进研究与先进辐射源团队的工作人员在《ScienceAdvances》上发表文章,声称已经利用“类钻石”作为前体研发出了一种激光诱导的高温高压金刚石,这是一种性能卓越的碳基纳米材料。该研究在20GPa压力下实现了2000K和900K超低温金刚石的生成。和常规碳氢同素异形体的金刚石合成工艺相比,这种新技术极大降低了金刚石合成的难度。SulgiyePark认为,这一新突破要归功于类钻石和一般钻石在结构上的相似和充分的SP3杂交。


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图一
类金刚石合成金刚石的识别与表征。(A)顶图:激光加热DAC简图和示例。底图:激光加热后的样品的透射光光学图(一个DAC内部)。(B)在5、15和20GPa条件下,淬火至环境压力的金刚烷(C14H20)的代表性拉曼光谱随合成温度的升高而变化。每个拉曼光谱是从具有特定P-T值的单个激光点收集所得。(C)20 GPa 和 ~2000K条件下,triamantane合成的金刚石SEM图。形态良好的金刚石晶粒嵌入较小的结晶金刚石粒中。(D)和激光加热束方向平行的triamantane所合成的金刚石的TEM图;比例尺:1μm。(E)HRTEM图像显示了对应2.06±0.03Å的钻石(111)平面的d间距。(F)对应的被选区电子衍射图;比例尺21/nm。(G)一个金刚石晶粒的EELS表示由triamantan合成的金刚石的充分SP3杂化。(参见图s3中的石墨片SEM和EELS以及图s4中纳米金颗粒的SEM图和XRD,以及金刚石的X射线能量色散谱。图片编辑:Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aay9405


研究人员发现,在20GPa压力下,金刚石在19微秒内快速完成转化。分子动态模拟发现剩余金刚石碳架在高温高压(P-T)下可以自行重组为类金刚石结构。此外,研究还成功绘制出了金刚石间转化的P-T条件和起始计时,清楚地解释了加快金刚石合成的化学和物理因素。

金刚石具备诸多优越的性能,是最具技术性和商业性的重要材料之一。自19世纪开始,科学家们就开始尝试金刚石的合成,并研发出了工程能效性方法和前体来合成高质量的金刚石。由于碳前驱体向金刚石的直接转化存在高能垒,通常会需要一种反应物。为理解金刚石合成工艺的内在机制,关键是要设计出一种能降低能垒和时间障的新型前体系统。


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