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Nature:金刚石新突破-常压焦耳热10分钟液态金属上合成金刚石

已有 1062 次阅读 2024-4-29 11:54 |个人分类:化学|系统分类:科研笔记

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近日,韩国蔚山基础科学研究所Rodney S. Ruof、Won Kyung Seong、Da Luo等人在《Nature》上发表了题为“Growth of diamond in liquid metal at 1 atm pressure”的论文,证明了液态金属在1个大气压和1025℃条件下实现了金刚石的生长,从而打破了传统方法中高温高压的限制。

【总结】

(1)低压条件下生长金刚石:文中描述了在常压(1个大气压)和较低的温度(1025℃)条件下,使用液态金属(镓、铁、镍和硅的混合物)催化甲烷,并在液态金属的表面生长金刚石,这打破了以往只能在高温高压条件下才能合成金刚石的常规模式。

(2)催化机制的创新:研究发现,在液态金属的表面和次表面区域,碳的超饱和导致金刚石的成核和生长。硅在这一过程中起到了关键作用,通过稳定四价键合的碳簇,促进金刚石的成核。

(3)新材料的合成途径:文献提出了一种新的合成路径,利用石墨坩埚通过电流进行焦耳加热,快速加热和冷却液态金属,实现了金刚石的生长。这种方法为基础科学研究和金刚石生长技术的发展开辟了新的可能性。

(4)应用前景广阔:由于该方法在较低的温度和压力下就能生长金刚石,这为金刚石的广泛应用(如高功率电子设备、磁感应和量子计算等领域)提供了新的材料生产方式,可能大幅降低生产成本并简化生产工艺。

(5)环境影响较小:相比传统的高温高压合成方法,该方法在更温和的条件下合成金刚石,可能具有更低的能耗和更小的环境影响。

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图1. Rodney S. Ruof 

【研究背景】

(1)自1955年以来,科学家们主要通过高温高压方法合成金刚石,这种方法模仿了自然界中金刚石形成的环境。尽管此方法能够有效合成金刚石,但它要求极高的压力和温度,限制了生产效率和成本效益。

(2)作为另一种合成金刚石的技术,CVD允许在相对较低的压力和温度下生长金刚石,但仍然需要复杂的设备和过程,且生长速度较慢。

(3)过去的研究表明,液态金属可以在高温高压下作为金刚石生长的媒介。然而,常规认知是金刚石不能在低压条件下通过液态金属生长,这一点限制了生长金刚石的方法和应用。

(4)随着科技的发展,对金刚石的需求不断增加,特别是在高功率电子设备、量子计算和磁感应等先进技术领域。这推动了对更有效、成本更低的金刚石合成方法的需求。

(5)传统的金刚石合成方法通常涉及高能耗和昂贵的设备,这限制了金刚石的广泛应用。因此,研究者们寻求更为经济和环保的合成方法。

【研究方法】

(1)液态金属合成:使用由镓、铁、镍和硅组成的液态金属混合物。将混合物置于石墨坩埚中,并使用自制的冷壁真空系统快速加热和冷却。

(2)催化活化甲烷:在1个大气压下,将甲烷和氢气输送到液态金属表面,利用液态金属的催化作用活化甲烷,产生碳原子。研究中详细探讨了温度、金属组分、甲烷和氢气的比例对生长结果的影响。

(3)金刚石的成核和生长:观察碳原子在液态金属表面和次表面区域的超饱和现象,导致金刚石的成核和生长。利用硅的添加影响碳原子的结构,促进金刚石的成核。

(4)金刚石生长的表征:使用拉曼光谱、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对生成的金刚石进行详细表征,确认金刚石的结构和化学组成。

(5)温度和界面控制:在实验中精确控制生长温度,并研究不同界面(如不同类型的石墨和氮化硼)对金刚石生长的影响。

(6)理论模拟:进行理论计算,模拟甲烷在液态金属表面的活化过程及其对金刚石生长的影响。探索硅如何在微观尺度上影响碳原子的结构和金刚石的成核过程。

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图2. 在石墨与液态金属表面的界面上合成金刚石

【研究结果】

(1)常压下金刚石的成功合成:首次在常压(1个大气压)和中等温度(1025℃)条件下,成功在液态金属(镓、铁、镍和硅的混合物)中合成了金刚石。这一结果突破了以往认为金刚石只能在高温高压下合成的常规理解。

(2)金刚石成核和生长的机制揭示:通过实验发现,液态金属表面的碳超饱和是金刚石成核的关键因素。硅的加入在碳原子的结构稳定化中起到了重要作用,有助于金刚石的成核和生长。

(3)金刚石的高质量确认:对合成金刚石的结构和化学性质进行了详细表征,包括拉曼光谱、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)。结果表明,所合成的金刚石具有高纯度和高结晶性。

(4)金刚石生长的优化条件:确定了最优的生长条件(1175℃时Ga/Ni/Fe/Si混合物的原子百分比为77.75/11.0/11.0/0.25),包括温度、金属组分、以及甲烷和氢气的比例,这些都对金刚石的生长有显著影响。

(5)实际应用潜力:讨论了这种新方法合成的金刚石在高功率电子设备、量子计算和磁感应等领域的潜在应用,展示了其宽广的应用前景。

【展望】

根据研究内容和结果,可以推测一些可能的后续研究方向:

(1)金刚石生长机制的深入探索:进一步研究液态金属中金刚石成核和生长的详细机制,尤其是涉及硅和其他潜在催化剂的作用。探索不同金属组分对金刚石质量和生长速率的影响。

(2)金刚石生长条件的优化:实验研究不同的生长条件,如温度、压力、金属组合和气体流量比例,以确定最佳的生长参数,提高金刚石生长的效率和产量。

(3)新材料和液态金属催化剂的开发:探索其他类型的液态金属或合金作为金刚石生长的催化剂,以便找到更有效或成本更低的替代方案。研究新的添加剂,如过渡金属和稀土元素,以改善金刚石的质量和特性。

(4)金刚石的应用研究:针对特定应用(如光学、电子或量子计算)优化合成金刚石的性能,例如通过掺杂或表面处理来调整电子特性或光学特性。

(5)大规模生产技术的开发:开发适合工业规模生产的系统和工艺,以利用这一新技术生产高质量金刚石。这可能包括设计新的反应器和自动化系统以提高生产效率。

(6)环境影响和经济性评估:评估这种新合成方法的环境影响,包括能耗和排放。同时,进行成本效益分析,比较与传统高温高压方法的经济性。

(7)理论和模拟研究:利用先进的计算化学和材料科学模拟,预测和验证不同合成条件下金刚石生长的行为。这可以帮助优化实验设计并深入理解生长过程。

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-07339-7



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