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科學家開發新型液態金屬合金體系在溫和條件下合成金剛石

您是否知道目前 99% 的合成鉆石是采用高壓高溫 (HPHT) 方法生產的?[2]一個普遍的范例是 ， 鉆石只能在吉帕斯卡壓力范圍(通常為 5-6 GPa，其中 1 GPa 約為 10,000 atm)和通常在 1300-1600 °C 的溫度范圍內使用液態金屬催化劑生長 。然而，由于所涉及的成分，使用高溫高壓生產的鉆石的尺寸始終限制在大約一立方厘米 。也就是說，只有在相對較小的長度范圍內才能實現如此高的壓力 。發現在較溫和的條件下(特別是在較低的壓力下)在液態金屬中制造鉆石的替代方法是一項有趣的基礎科學挑戰，如果實現了這一挑戰，可能會徹底改變鉆石的制造 。流行的范式會受到挑戰嗎?

科學家開發新型液態金屬合金體系在溫和條件下合成金剛石

文章插圖
由基礎科學研究所 (IBS) 多維碳材料中心 (CMCM) 主任 Rod RUOFF 領導的研究團隊，包括蔚山國立科學技術研究所 (UNIST) 的研究生，在 1 個大氣壓和 1025°C 的條件下，使用由鎵、鐵、鎳和硅組成的液態金屬合金培育出鉆石 ， 從而打破了現有范式 。這種新生長方法的發現為進一步的基礎科學研究和以新方式擴大鉆石的生長開辟了許多可能性 。
兼任UNIST杰出教授的魯夫主任指出：“這一開創性突破是人類聰明才智、不懈努力以及眾多合作者通力合作的結果 。” Ruoff 領導的研究人員進行了一系列實驗，涉及數百次參數調整和各種實驗方法，最終成功使用“自制”冷壁真空系統生長鉆石 。
Ruoff 指出：“我們一直在一個大室(名為 RSR-A，內部容積為 100 升)中進行參數研究 ， 由于需要時間抽出空氣，我們對促進金剛石生長的參數的搜索速度減慢了(約3分鐘) ， 用惰性氣體吹掃(90分鐘) ， 然后再次抽真空至真空水平(3分鐘)，以便腔室可以充滿1個大氣壓的相當純的氫氣/甲烷混合物(再次90分鐘) ;距離實驗開始還有3個多小時!我請 Won Kyung SEONG 博士設計和建造一個更小的室，以大大減少開始(和完成!)液態金屬暴露于甲烷和氫氣混合物中的實驗所需的時間 。” Seong 補充道：“我們的新型自制系統(名為 RSR-S，內部容積僅為 9 升)可以在 15 分鐘的總時間內抽出、吹掃、抽出并填充甲烷/氫氣混合物 。參數研究大大加快了，這幫助我們發現了金剛石在液態金屬中生長的參數!”
研究團隊發現，當暴露于溫度約為 1025°C、壓力為 1 個大氣壓的甲烷和氫氣中時 ， 鉆石會在由鎵/鎳/鐵/硅(原子百分比為 77.75/11.00/11.00/0.25)混合物的液態金屬合金的亞表面中生長 。
UNIST 研究生兼第一作者 Yan GONG 解釋說：“有一天，當我使用 RSR-S 系統進行實驗，然后冷卻石墨坩堝以凝固液態金屬并取出凝固的液態金屬片時，我注意到該片底面上有幾毫米的‘彩虹圖案’ 。我們發現彩虹色是由鉆石造成的!這使我們能夠確定有利于鉆石可重復生長的參數 。”
初始形成過程無需使用傳統高溫高壓和化學氣相沉積合成方法中常用的鉆石或其他種子顆粒 。一旦形成，鉆石顆粒就會合并形成一層薄膜 ， 該薄膜可以輕松分離并轉移到其他基底上 ， 以供進一步研究和潛在應用 。
【科學家開發新型液態金屬合金體系在溫和條件下合成金剛石】同步加速器二維X射線衍射測量證實合成的金剛石薄膜具有非常高的金剛石相純度 。另一個有趣的方面是金剛石結構中存在硅空位色心，因為在使用532nm激光激發的光致發光光譜中發現了738.5nm處的強零聲子線 。

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