1 工作简介

         ——超级钻石“六方金刚石”的人工合成

从传统碳材料石墨、金刚石到富勒烯、石墨烯等低维碳材料的突破，碳的结构与性能持续刷新人类认知。其中，金刚石以其全sp³立方结构，集超宽禁带、极高热导率以及最高硬度等优异性能，作为国家战略物资和“工业牙齿”，在众多领域应用广泛。半个多世纪前，在陨石中发现另一种具有全sp³杂化六方晶体结构的“超级钻石”——六方金刚石。理论预测其为宽带隙半导体，相较于立方金刚石具有更高的载流子迁移率，更优的掺杂对称性以及更高的硬度，成为新型碳基半导体材料的理想候选。然而，六方金刚石的形成能垒高于立方金刚石，以至于其能否作为独立物相稳定至常温常压都长期存在争议，纯相合成为近60年来一直未能攻克的世界性难题。

针对这一挑战，吉林大学高压与超硬材料全国重点实验室刘冰冰教授带领团队基于在碳材料超高压研究方面的长期积累，联合中山大学等研究单位，首次在国际上实现了六方金刚石晶体的人工合成。团队首先利用高压原位激光加温技术，原位研究了石墨在50 GPa超高压与高温条件下的结构演变规律，发现石墨在高压力区间会形成一种“后石墨相”高压结构，进而通过局部加热成功获得了六方金刚石（图1）。进一步结合大尺度分子动力学理论模拟，揭示了石墨层堆叠构型对形成六方金刚石结构的关键作用，发现了石墨经由“后石墨相”形成六方金刚石的全新路径。

在此基础上，团队依托自主研发的大腔体超高压实验技术，在超高压组装体中巧妙引入热导率不同的高硬度材料，利用高压下产生的温度梯度，模拟金刚石对顶砧实验中的极端条件，在国际上首次合成出高纯度、毫米级的六方金刚石块材（图2）。团队还同时开发出新型（6-8-2）大腔体高压组装体，创新性地引入单轴力，在更为温和的温压条件下实现了高纯六方金刚石块材的宏量合成，为六方金刚石的规模化制备提供了新途径（Sci. Bull. 2025, 70, 1257–1263）。团队发现六方金刚石展现出兼具宽带隙半导体及超硬特性于一体的卓越性能，不仅首次在实验上测得其为4.59 eV超宽带隙的半导体材料，其硬度更是超过天然立方金刚石40%以上，并展现出优异的热稳定性。该成果不仅建立了高温高压人工合成六方金刚石的普适性方法，给出六方金刚石独立存在的有力证据，终结了困扰学术界半个多世纪的重大科学争议，更为开发新一代超宽带隙半导体和更高硬度超硬材料奠定了坚实的科学基础，有望推动其在高功率器件、极端环境器件、量子技术以及超高精密加工等前沿领域的应用。该工作的代表性成果发表于《自然材料》(Nature Materials, 2025, 24, 513-518)。论文发表后，被中国科学院院士田永君教授在“中国科学”上做了专题亮点评述，认为是“重大突破”，“六方金刚石基材料开发的关键一步”。

图2. 高纯六方金刚石块材的透射电镜照片、XRD以及维氏硬度测试。

相关工作第一作者为吉林大学陈德斯博士、袁晓红工程师以及中山大学陈顾文博士。吉林大学刘冰冰教授、姚明光教授、董家君研究员、唐虎教授以及中山大学朱升财教授为论文共同通讯作者，参与工作的还有吉林大学刘兆东教授、张伟教授、胡阔研究员、上海同步辐射光源的何丙辰研究员、厦门大学王鸣生教授、程勇助理教授以及与瑞典于默奥大学B. Sundqvist教授等共同合作完成。该工作得到了国家基金委项目和国家重点研发计划项目的资助。

2 主要作者简介

共同第一作者

陈德斯，吉林大学高压与超硬全国重点实验室博士后，入选国资计划博士后B类。

主要研究方向为高压下碳材料的新结构与新性质以及高压下碳材料的结构相变研究。在Nat. Mater.、Carbon、New Carbon Mater.等期刊上发表学术论文10余篇，授权发明专利1项。

共同第一作者

袁晓红，吉林大学工程师。

主要从事高压条件下层状材料的结构演变和设计合成新型超硬材料的研究。在Sci. Bull.、Adv, Mater.、J. Am. Chem. Soc.等国际著名期刊上发表论文20余篇。

共同第一作者

陈顾文，2024年获中山大学材料学院硕士学位，现为复旦大学化学系博士生。

主要通过机器学习辅助进行固-固相变机理研究。在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Sci. Bull.等期刊发表学术文章8篇，申请专利2项。曾获中国科协“科创中国” 优秀论文、《高压物理学报》优秀论文等荣誉。

通讯作者

董家君，吉林大学研究员，吉林省高层次人才。

主要从事碳材料的高压研究，聚焦于高压诱导的结构相变机制及新型超硬碳材料的可控合成与性能调控。在Nature、Nat. Mater.、Phys. Rev. Lett.等期刊发表论文30余篇。主持国家自然科学基金青年/面上项目、中国博士后科学基金特别资助等项目。获吉林省自然科学奖一等奖，中国材料研究学会科学技术奖一等奖，吉林大学唐敖庆青年人才奖等荣誉。

通讯作者

唐虎，吉林大学教授，国家级高层次青年人才，德国洪堡学者。

主要从事高温高压条件下的材料合成以及应用开发，研究压力对于材料结构转变的热力学和动力学影响，通过高温高压技术制备强韧性和硬韧性新型材料。在Nature、Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Sci. Bull.等国际著名期刊上发表论文40余篇。

通讯作者

朱升财，中山大学副教授，国家级青年人才，中山大学“百人计划”。

主要聚焦于物质科学领域的交叉研究，主要方向是高压固-固相变的动力学理论研究。旨在通过揭示物质结构演变过程的转变机制，解决地学、材料、物理、化学等多学科的关键科学问题。在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊发表论文40余篇。主持国家自然科学基金委青年B类、C类以及面上等项目。

通讯作者

姚明光，吉林大学唐敖庆学者卓越教授，国家杰出青年科学基金获得者。

长期从事高压下碳材料的结构与物性研究，在碳的高压结构相变、新型超硬及非晶碳材料创制方面取得系统性创新成果。在Nature、Nat. Mater、Adv. Mater.、Phys. Rev. Lett.等期刊发表论文100余篇。主持国家自然科学基金杰出青年科学基金、优秀青年科学基金等项目。获吉林省自然科学一等奖、吉林省突出贡献人才奖、中国材料研究学会科学技术奖一等奖等奖励。

通讯作者

刘冰冰，吉林大学教授，高压与超硬材料全国重点实验室主任，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金，国家高层次科技创新领军人才获得者。

长期从事高压材料与技术领域的基础研究，在高压下材料的新结构、新性质及新材料创制中取得了系统性和创造性成果。在Nature、Science、Nat. Mater.、PRL等刊物上发表学术论文400余篇。国家重点研发计划项目负责人、国家重大基础设施“综合极端条件实验装置”高温高压大体积材料研究系统执行首席科学家兼副总指挥。获中国青年女科学家奖、谢希德物理奖、瑞典于默奥大学荣誉博士等个人荣誉。获国家自然科学二等奖、吉林省科学自然科学一等奖3项、中国材料研究学会科学技术一等奖等科技奖励。任Diamond and Related Materials杂志副主编，Science Bulletin、Research杂志编委，NDNC国际执委会委员。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02126-9