人造钻石在环境压力下在液态金属中生长

凝固液态金属中的钻石样品照片

在环境压力下生长:在凝固的液态金属中生长的金刚石样品。 (提供:基础科学研究所/严工)

制造人造钻石的常用方法是在高温下对碳施加巨大的压力。 然而现在,韩国基础科学研究所(IBS)的研究人员表明,虽然高温仍然是先决条件,但在标准压力下制造多晶金刚石薄膜是可能的。 他们说,新技术可能会彻底改变钻石制造。

天然钻石在地球上地幔中在 900 至 1400 °C 的温度和 5 至 6 吉帕斯卡 (GPa) 的压力下形成了数十亿年。 大多数情况下,用于制造大多数合成钻石的制造工艺都模仿了这些条件。 例如,在 20 世纪 50 年代,美国通用电气公司的科学家开发了一种在实验室中使用约 7 GPa 和 1600 °C 的熔融硫化铁合成钻石的方法。 尽管其他研究人员此后改进了这项技术(并开发了一种称为化学气相沉积的替代方法来制造高质量钻石),但钻石制造在很大程度上仍然依赖于高压高温(HPHT)下的液态金属。

Rodney Ruoff 领导的团队现在颠覆了这一传统,在 ​​1 个大气压和 1025°C 的条件下使用液态金属制造多晶金刚石薄膜。 当鲁夫和同事将镓、铁、硅和镍的液态合金暴露于甲烷和氢气的混合物中时,他们观察到金刚石在液态金属的地下生长。 研究小组将这种效应归因于甲烷的催化活化和地下区域碳Atom的扩散。

无种子颗粒

不同寻常的是,IBS 实验中的第一批金刚石晶体开始在没有种子颗粒的情况下形成(或成核),这是传统 HPHT 和化学气相沉积技术的先决条件。 各个晶体随后合并成一层薄膜,很容易分离并转移到其他基材上。

为了进一步研究成核过程,该团队使用高分辨率透射电子显微镜(TEM)捕获金刚石薄膜的横截面。 这些 TEM 图像显示,碳在液态金属地下积聚,直至达到过饱和水平。 研究人员认为,这可能是导致钻石成核和生长的原因。

另外,同步加速器 X 射线衍射测量表明,虽然通过这种方法形成的金刚石纯度很高,但它在金刚石碳Atom晶格中的两个未占据位置之间含有一些硅Atom。 研究人员表示,这些众所周知的硅空位色心可以在磁传感和量子计算中得到应用,其中被称为氮空位中心的类似缺陷已经成为一个活跃的研究主题。 他们补充说,硅的存在似乎在稳定负责成核的四价键碳簇方面也发挥着重要作用。

扩大

研究人员在《自然》杂志上报告了他们的工作,现在正试图确定钻石成核的开始时间。 他们还计划“降温”实验,首先用碳使液态金属过饱和,然后迅速降低实验室中的温度以触发金刚石成核。

未来的另一个研究方向可能涉及研究替代金属液态合金成分。 “我们的优化生长是通过使用镓/镍/铁/硅液态合金实现的,”团队成员 Da Luo 解释道。 “然而,我们还发现,可以通过用钴代替镍或用镓-铟混合物代替镓来生长高质量的金刚石。”

Ruoff 补充说,该团队还可能尝试甲烷以外的碳前体,并指出各种气体和固体碳可能会产生不同的结果。 总的来说,钻石在这种流动性中成核和生长的发现“令人着迷”,他说,它为基础科学和以新方式扩大合成钻石的生长提供了许多令人兴奋的机会。 “将碳Atom和/或小碳簇引入液态金属以促进钻石生长的新设计和方法肯定很重要,”他总结道。

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