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郑州华晶金刚石股份有限公司

为了研究材料,在极端条件下制造纳米晶金刚石

关键词 纳米金刚石 , 人造钻石|2018-02-09 09:50:51
摘要 等离子体气相沉积制造的纳米晶金刚石的压力已经比地球中心的压力高出近两倍。一项新的研究发现,这些新型的纳米晶金刚石微砧的制造工艺已被证明是“非常一致的”,并表明“在制造上具有高度的可...

      等离子体气相沉积制造的纳米晶金刚石的压力已经比地球中心的压力高出近两倍。 一项新的研究发现,这些新型的纳米晶金刚石微砧的制造工艺已被证明是“非常一致的”,并表明“在制造上具有高度的可重复性”。宝石钻石(顶部)的平坦表面上的这个结块是纳米晶体钻石,是一般人的头发宽度的一半。 

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较高的放大倍数(底部)显示了纳米晶金刚石的颗粒结构。图片来源:UAB

       Yogesh Vohra博士使用等离子体气相沉积法制造的纳米晶金刚石,其压力已经比地球中心高出近两倍。

       现在,他在“科学报告”上发表的一篇研究报告中报告说,这些新型纳米晶金刚石微砧的制造过程已被证明是“非常一致的”,并已表明了“制造的高度可重复性”。

       阿拉巴马大学伯明翰分校UAB艺术与科学学院的物理学教授兼大学学者Vohra说:“这些结果鼓舞人们在极端的压力和温度条件下继续研究材料”。

       纳米晶体钻石看起来像是在三分之一克拉的宝石钻石平底表面上生长的一种微小的材料。 为了构造该结块,该宝石钻石用中心蚀刻出具有15至20微米的圆的钨薄膜涂覆。 纳米晶金刚石开始在宝石金刚石表面上的那个圆周上生长为微小的金刚石晶粒。 通过加热甲烷,氢气和氮气制成的等离子体的气相沉积形成晶粒。

       等离子体是一种热的、电离的气态物质,是继液体、固体和气态之后的第四种物质状态。纳米金刚石的晶粒通常在5到100纳米之间。

       Vohra和uab的同事们在合成开始后的一分钟、三分钟和十五分钟观察了纳米晶的早期成核形态,他们发现纳米晶金刚石的成核开始迅速,不需要在生长前表面播种少量的钻石。相反,在其他一些表面上生长金刚石需要这样的种子。

       生长一分钟后,电子显微镜图像显示出单晶宝石金刚石表面有大量的成核点,3分钟时,只有小面积的宝石表面没有纳米晶金刚石的覆盖,15分钟后,纳米晶颗粒的覆盖完全而均匀,开始在整个生长区域聚集在一起。

       生长在三到六小时之间减慢,纳米晶金刚石倾向于凝聚成半球形结构。 Vohra说,这个几何形状在UAB研究人员每两个阶段的生长实验中一直观察到。 此外,似乎有一个几何生长极限。

       纳米晶块极大地提高了金刚石微砧所能达到的压力。 晶体尺寸为300微米的单晶宝石钻石,没有纳米晶体,只能产生75千兆帕斯卡的压力。 当添加纳米晶金刚石时,微砧可以产生多达500千兆帕斯卡的压力。 UAB的研究人员希望用他们的纳米晶体金刚石微砧达到1,000千兆帕斯卡或者一千帕斯卡的压力。 这接近土星行星中心的压力。

       这种巨大的压力可能会产生尚未知的新材料,也可用于研究材料的相变和压缩行为。 在自然界,如此巨大的地下深处的力量可以把碳变成钻石,或把火山灰变成石板。

       UAB小组还检查了金刚石-砧式电池装置在压缩和减压过程中出现分离的纳米晶金刚石微粉。研究人员利用电子力显微镜,扫描电子显微镜和拉曼光谱,发现分离失败发生在底部表面下方的单晶宝石金刚石砧座的大部分中,而不是在宝石金刚石和纳米晶体金刚石结块之间的界面处。

       这表明宝石金刚石和纳米晶体金刚石结块之间的界面粘合强度似乎是相当大的,并且界面能够承受超高剪切应力。

       Vohra表示,UAB研究人员将继续研究操纵界面处的晶粒尺寸和粘合强度,以优化用于高压研究的纳米晶金刚石微砧。

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