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|2018-08-27 15:58:10|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...

1533781157110746.jpg

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。”


  ① 凡本网注明"来源:金刚石刀具网"的所有作品,均为河南远发信息技术有限公司合法拥有版权或有权使用的作品,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明"来源:金刚石刀具网"。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。
② 凡本网注明"来源:XXX(非金刚石刀具网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在30日内进行。
※ 联系电话:0371-67667020

延伸推荐

金刚石行业中的专业术语解析:粒径、目数及其换算关系

金刚石行业中的专业术语解析:粒径、目数及其换算关系

​在金刚石行业(尤其是磨料、超硬材料领域),粒径和目数是两个核心参数,直接影响材料的加工性能和应用效果。此外,粒度分布及相关参数(如D10、D50、D9...

日期 2025-03-28   刀具新闻
新锋科技:一块金刚石的突围

新锋科技:一块金刚石的突围

“从美学来看,金刚石可以用来做钻石;从金刚石本身的物理化学性质来看,它在热学、声学、光学、电学等方面具有卓越的特性,因而又被誉为‘材料之王’‘终极半导体...

日期 2025-03-28   刀具新闻
湖北攀峰钻石科技取得金刚石均布的锯片结构专利,能够保证切割效果

湖北攀峰钻石科技取得金刚石均布的锯片结构专利,能够保证切割效果

本实用新型提供一种金刚石均布的锯片结构,包括基体,所述基体的周侧装设有多个金刚石刀头,金刚石刀头上装设有多个金刚石颗粒,基体内装设有多个散热片,基体的周...

日期 2025-03-28   刀具新闻
金刚石:手术机器人背后的“超级英雄”

金刚石:手术机器人背后的“超级英雄”

​你能想象一台机器人精准操刀,完成高难度手术的场景吗?如今,这一科幻般的画面已逐渐成为现实。手术机器人正以其超乎想象的精确度,为患者带来更高质量的医疗服...

日期 2025-03-28   刀具新闻
郑州华晶金刚石与精工锐意开展合作交流

郑州华晶金刚石与精工锐意开展合作交流

​3月11日,郑州华晶金刚石股份有限公司(下称郑州华晶)总经理李克华与来访的精工锐意科技(河南)有限公司(下称精工锐意)董事张霖一行开展技术交流.......

日期 2025-03-14   刀具新闻
干字当头开新局丨新疆要生产钻石了 全疆首条金刚石生产线在哈密投产

干字当头开新局丨新疆要生产钻石了 全疆首条金刚石生产线在哈密投产

​3月4日,在哈密高新技术产业开发区南部循环经济产业园,由新疆润晶科技有限公司投资建设的金刚石生产线首批产品下线,成为新疆首条投产的金刚石生产线.......

日期 2025-03-07   刀具新闻
最近超火的“六方金刚石”硬度碾压钻石?

最近超火的“六方金刚石”硬度碾压钻石?

​最近,中国科学家成功合成高质量六方金刚石块材,不仅终结了半个多世纪以来,六方钻石能否独立存在的争议,还将其尺寸由纳米级提升到毫米级。这一成果甚至带动相...

日期 2025-03-07   刀具新闻
哈密优普莱高品质金刚石毛坯及芯片衬底材料项目开工

哈密优普莱高品质金刚石毛坯及芯片衬底材料项目开工

​2月27日上午,新疆哈密市隆重举行2025年全市重大项目集中开复工仪式,全市2月份95个重点项目集中开复工......

日期 2025-03-07   刀具新闻
资不抵债!开封恒锐新金刚石制品公司被挂牌转让

资不抵债!开封恒锐新金刚石制品公司被挂牌转让

​2月28日,易成新能发布公告称,公司拟在河南中原产权交易有限公司公开挂牌转让公司全资子公司开封恒锐新金刚石制品有限公司(简称“恒锐新”)100%股权....

日期 2025-03-07   刀具新闻
征世科技成功研发2英寸单晶金刚石晶圆

征世科技成功研发2英寸单晶金刚石晶圆

​上海征世科技股份有限公司(以下简称:征世科技)宣布成功研发出2英寸(1英寸=2.54cm)单晶金刚石晶圆......

日期 2025-03-07   刀具新闻