第一作者：Yan Gong

通訊作者：Da Luo, Won Kyung Seong, Rodney S. Ruoff

通訊單位：韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院

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天然鉆石是在地球上地幔的金屬熔體中形成的，溫度為900–1400攝氏度，壓力為5–6 GPa。根據(jù)碳的相圖，金剛石在高壓和高溫條件下是熱力學(xué)穩(wěn)定的。

1955年，通用電氣公司的科學(xué)家發(fā)明并使用了一種高壓高溫設(shè)備，在大約7 GPa和1600℃的溫度下用熔融硫化鐵合成金剛石?，F(xiàn)有的模型認(rèn)為，只有在高壓和高溫下才能用液態(tài)金屬生長金剛石。

本研究中，在1個大氣壓和1025°C的條件下，使用液態(tài)金屬而非高壓高溫的傳統(tǒng)方法，成功生長出金剛石晶體和多晶金剛石薄膜。這一過程通過催化甲烷和碳原子在液態(tài)金屬亞表面的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。

液態(tài)金屬表面下碳的過飽和導(dǎo)致金剛石的成核和生長，硅在穩(wěn)定參與成核的四價(jià)碳團(tuán)簇中起重要作用，這些碳團(tuán)簇對成核至關(guān)重要。這種在適中溫度和1個大氣壓下生長的金剛石，為基礎(chǔ)科學(xué)研究和這種生長類型的規(guī)?；_辟了多種可能性。

圖文導(dǎo)讀

圖1：展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖、石墨坩堝、在液態(tài)金屬表面生長的金剛石晶體的掃描電鏡（SEM）圖像，以及生長不同時間后的金剛石薄膜的光學(xué)圖像和原子力顯微鏡（AFM）圖像。說明了在液態(tài)金屬表面合成金剛石的過程和生長時間對金剛石薄膜形態(tài)的影響。

圖2：通過¹³C標(biāo)記的生長金剛石的拉曼光譜和光致發(fā)光（PL）圖譜，不同生長配置下金剛石和石墨的特征拉曼帶和光致發(fā)光峰，以及金剛石薄膜的碳同位素標(biāo)記結(jié)果。

圖3：透射電鏡（TEM）圖像和能量色散X射線光譜（TEM-EDS）線掃描分析，揭示了生長金剛石薄膜的截面結(jié)構(gòu)和元素分布，以及液態(tài)金屬與金剛石界面的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

總結(jié)展望

本研究在1個大氣壓和適中溫度條件下，利用液態(tài)金屬合金生長出金剛石，這一發(fā)現(xiàn)打破了以往認(rèn)為只能在高壓高溫下生長鉆石的傳統(tǒng)觀念。

通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)揭示了硅在金剛石成核中的作用，以及碳在液態(tài)金屬中的溶解和擴(kuò)散機(jī)制。該方法不僅為合成金剛石提供了一種新的途徑，而且為進(jìn)一步的基礎(chǔ)科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用開辟了新的可能性。

研究還指出，通過簡單的改進(jìn)，如使用更大的表面或界面、配置加熱元件以實(shí)現(xiàn)更大的生長區(qū)域，以及采用新的方式將碳分布到金剛石生長區(qū)域，有望實(shí)現(xiàn)大面積金剛石的生長。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Growth of diamond in liquid metal at 1 atm pressure

期刊：Nature

DOI：10.1038/s41586-024-07339-7