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技术发展|浙工大胡晓君教授颠覆性成果
发布时间：
2022-04-27
浙江工业大学胡晓君教授团队创新性地“复原”了化学气相沉积金刚石的生长过程，在低压状态下实现了点“石”成“钻”，为大面积金刚石的合成提供了新的策略及理论依据。 提起金刚石，很多人首先想到的是光彩夺目的钻石。其实，人造金刚石在工业生产中的应用才同样“耀眼”，它具有天然钻石的一切优异性能，在精密切削刀具、耐磨器件、半导体及电子器件、低磁探测、生物医学等方面得到广泛应用。目前人造金刚石的产业化合成主要有两种：高压高温法和化学气相沉积法。但因高温高压设备的限制，目前还难以制备大尺寸单晶金刚石；化学气相沉积需要以天然单晶金刚石为衬底生长单晶金刚石，而天然单晶金刚石受面积所限，依然无法制备大面积金刚石，这极大地限制了人造金刚石的应用。 浙江工业大学胡晓君教授团队长期聚焦金刚石薄膜、纳米碳材料等方面的研究工作，致力于探索金刚石薄膜等材料的制备、掺杂新方法及光电性能。研究团队关注到与石墨相比，处于热力学亚稳态的金刚石能够在化学气相沉积的低压下形成，其独特的形成机制可能蕴藏着一种合成大面积金刚石的方法。但化学气相沉积的生长环境复杂，难以实现原位表征，所以该沉积过程中金刚石的形成机制一直是材料领域科学家们亟待解决的难题。 胡晓君团队利用缓慢生长的方法“复原”了化学气相沉积金刚石的生长过程。团队以“菜花”状的纳米金刚石颗粒为模板，采用一系列短时间生长的策略，形成瞬时的生长薄层，通过扫描电子显微镜、拉曼光谱和高分辨透射电镜的直接观测，获得了1800瓦的生长功率下，短时间隔30秒在“菜花”状的模板上生长系列薄层的表面形貌和微结构，发现了纳米金刚石基体——竖立石墨烯初步生长——竖立石墨烯长大弯曲成针状石墨——针状石墨消失——恢复纳米金刚石基体的循环往复过程 这是首次在化学气相沉积过程中发现石墨/金刚石的循环往复出现。那么这一过程是如何产生的呢？一种猜想是石墨和金刚石轮流生长，石墨长出来后金刚石再覆盖上去；如果是这样的话，形成金刚石后在拉曼光谱中应该依然可以观察到大量的石墨，但实际的情况是样品的拉曼特征是典型的纳米金刚石薄膜的特征； 为进一步证实这一从未报道过的现象和石墨转变为金刚石的大胆猜想，团队将生长功率降低到1600 瓦，生长时间延长到12 分钟，以减缓生长速率来捕获更清晰的石墨转化成金刚石的证据. 在4分钟样品中，主要组分为较直的石墨烯(Fig. 4b)，在8 分钟时转变为石墨纳米针(Fig. 4d)。这根纳米针中同时含有石墨(002)和金刚石(111)晶面(Fig. 4d)。而当时间延长到12分钟时，石墨完全消失，样品中(Fig. 4f)观察到大量的金刚石晶粒，说明石墨已经完全转化为金刚石。这表明同时出现金刚石(111)和石墨(002)晶面的8分钟样品是石墨转化为金刚石的中间过渡态。 进一步分析这个过渡态(图4g)的结构演变，可知8分钟样品头部区域1为石墨(002)，中间区域2中出现新的、较暗的金刚石晶面(0.21 nm)覆盖在石墨(002)晶格上，中间区域3中金刚石晶面(0.21 nm)增强石墨(002)减弱，根部区域4中石墨(002)晶格消失而金刚石(0.21 nm)晶格成为主晶格。这清晰地展示了石墨逐渐转变为金刚石的过程，如示意图4j和j-1所示。 由此可见，在化学气相沉积过程中，金刚石的形成是由石墨相变而来，颠覆了“活性碳原子堆砌成sp3金刚石晶格”、“sp2石墨碳相是金刚石薄膜生长过程中的‘碳垃圾’，被气氛中的氢气刻蚀去除”等传统观念。
浙江工业大学胡晓君教授团队创新性地“复原”了化学气相沉积金刚石的生长过程，在低压状态下实现了点“石”成“钻”，为大面积金刚石的合成提供了新的策略及理论依据。浙江工业大学胡晓君教授团队长期聚焦金刚石薄膜、纳米碳材料等方面的研究工作，致力于探索金刚石薄膜等材料的制备、掺杂新方法及光电性能。研究团队关注到与石墨相比，处于热力学亚稳态的金刚石能够在化学气相沉积的低压下形成，其独特的形成机制可能蕴藏着一种合成大面积金刚石的方法。但化学气相沉积的生长环境复杂，难以实现原位表征，所以该沉积过程中金刚石的形成机制一直是材料领域科学家们亟待解决的难题。
胡晓君团队利用缓慢生长的方法“复原”了化学气相沉积金刚石的生长过程。
团队以“菜花”状的纳米金刚石颗粒为模板，采用一系列短时间生长的策略，形成瞬时的生长薄层，通过扫描电子显微镜、拉曼光谱和高分辨透射电镜的直接观测，获得了1800瓦的生长功率下，短时间隔30秒在“菜花”状的模板上生长系列薄层的表面形貌和微结构，发现了纳米金刚石基体——竖立石墨烯初步生长——竖立石墨烯长大弯曲成针状石墨——针状石墨消失——恢复纳米金刚石基体的循环往复过程
为进一步证实这一从未报道过的现象和石墨转变为金刚石的大胆猜想，团队将生长功率降低到1600 瓦，生长时间延长到12 分钟，以减缓生长速率来捕获更清晰的石墨转化成金刚石的证据.
在4分钟样品中，主要组分为较直的石墨烯(Fig. 4b)，在8 分钟时转变为石墨纳米针(Fig. 4d)。这根纳米针中同时含有石墨(002)和金刚石(111)晶面(Fig. 4d)。而当时间延长到12分钟时，石墨完全消失，样品中(Fig. 4f)观察到大量的金刚石晶粒，说明石墨已经完全转化为金刚石。这表明同时出现金刚石(111)和石墨(002)晶面的8分钟样品是石墨转化为金刚石的中间过渡态。
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