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郑州华晶金刚石股份有限公司

科学家首次在原子级别观察到金刚石的形核过程

关键词 金刚石 , 成核 , cvd金刚石|2018-08-09 10:20:27|来源 材料科技在线
摘要 图中所示为金刚石纳米颗粒(右)生长形成的大块金刚石晶体(左)。数万亿的金刚石颗粒被附着在硅晶片的表面,然后将其放置在碳、氢等离子体(紫色)中,碳和氢是形成金刚石所必需的两种元素。一...

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图中所示为金刚石纳米颗粒(右)生长形成的大块金刚石晶体(左)。数万亿的金刚石颗粒被附着在硅晶片的表面,然后将其放置在碳、氢等离子体(紫色)中,碳和氢是形成金刚石所必需的两种元素。一项新的研究发现,只有当系统中含有至少26个碳原子时,金刚石才开始真正的生长。 图片来源: SLAC国家加速器实验室

       天然金刚石是由来自地下深处的巨大压力和温度共同促进而形成的。但人造金刚石却可以通过形核长大,从一个微小的“种子”生长出一个大块的金刚石晶体。就像云层中的微小粒子会慢慢的聚集长大,最终再融化成雨滴洒落大地。

近日,科学家们首次在原子水平上观察到了金刚石的生长过程,并且得到了金刚石“种子”能够出现快速生长的临界尺寸值。

       本周发表于《美国国家科学院院刊》的研究结果显示,原子的形核过程不仅会发生在金刚石中,而且在各种气氛中、计算机芯片的硅晶体中,甚至在神经系统的蛋白质中也会发生。

       “原子的形核长大是材料科学中的一个基本原则,几乎每本教科书中都有相关的理论和公式对其进行了详细的描述,”来自斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的Nicholas Melosh教授说,“例如从液态水到固态冰,它是我们描述从一个物相到另一个物相的方式。”

       但有趣的是,他说,“尽管这一理论已经得到了材料学家的一致认可,但却从未通过实验得到验证,因为仪器的限制,使得在原子级别上观察晶体的生长过程是非常困难的。”

       事实上,科学家们早就知道,形核经典理论往往高估了形核过程中所需的能量势垒。因此,他们找到了一种将理论与实验相结合的方法,但直到现在,研究人员也只能在较大尺度上对其进行观察,而想要在原子尺度上研究形核过程依然存在很大的难度。

       为了在一个最小尺度上研究金刚石原子的形核机理, Melosh和他的团队把重点放在了金刚石最小的原子上。

       最新一轮的实验研究是由斯坦福大学博士后研究员Matthew Gebbie领导的。他对相界面一直有着较深的研究,所谓相界面,即一种物质与另一种物质的交界处,例如空气和水之间的界限一样。CVD(化学气相沉积法)被广泛用于工业和珠宝类金刚石的生产过程中,而事实证明,相界面对于化学气相沉积法生产金刚石的过程是至关重要的。

       为了在实验室中用化学气相沉积法来制备大块金刚石晶体,该研究团队将无数微小的金刚石颗粒分散在硅晶片表面,并将其置于氢和碳的等离子体中(它们是形成钻石所必需的两种元素),高温下的等离子体会使得电子从原子中剥离下来。

       Gebbie表示,这种等离子体可以溶解金刚石颗粒,也可以促使金刚石粒子的形核长大,两者之间的竞争作用决定了其能否形成更大的金刚石晶体结构。将碳原子融入固体中的方法有很多,但只有在最合适的条件下,我们才会得到闪闪发光的钻石, 否则你最终得到的只不过是一些极其便宜的石墨,也就是我们平时见到的铅笔芯而已。

       该研究使科学家们对金刚石的形核过程有了一个更精细的控制。因为它们实在是太微小了,所以尽管我们使用最先进的电子显微镜也无法直接看到,但是我们却可以根据所含碳原子的数量进行精确排序,然后通过化学气相沉积的方法将其附着在硅晶片的表面,进而放置于等离子态气氛中。

       虽然之前不乏有对金刚石形核的研究,但这却是第一次用不同大小的金刚石粒子所做的测试。该研究团队发现,只有当含有26个碳原子以上时,才会促进金刚石晶体的生长。

       更重要的是,Gebbie表示,他们能够直接测量出金刚石颗粒形核长大的能量势垒,这无疑是具有里程碑意义的一项发现。

       Gebbie补充说,“这是一项非常基础的研究,但最值得我们兴奋的是,我们发现了一种可预测且非常可靠的,制造金刚石纳米材料的方法。现在我们已经得到了所需的基础理论,接下来要做的便是找寻那些,能够将这些金刚石纳米材料切实投入应用的方法。”

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