2024-06-12
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在材料科學領域，一種全新的共價金剛石-石墨材料引起了科學界的廣泛關注。這種材料不僅結合了金剛石和石墨的卓越性能，如超硬、極韌和導電性，還在超硬材料和電子器件領域展現(xiàn)出巨大的研究和發(fā)展?jié)摿?。近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心的研究團隊在離子體化學氣相沉積（CVD）技術上取得突破，成功制備出這一新材料，并對其生長機理和電子性質進行了深入研究。
金剛石和石墨作為碳的同素異形體，一直以其獨特的物理和化學性質受到科學界的青睞。然而，由于金剛石-石墨共價界面能高，傳統(tǒng)的制備方法主要依賴于高溫高壓條件。這種限制不僅增加了制備難度，也限制了材料性能的優(yōu)化。
黃楠研究員領導的團隊，在等離子體CVD技術的基礎上，通過精心設計的限域陶瓷樣品臺，成功將等離子體電子密度提升至原來的2.7倍，為活化碳原子并促進其與金剛石以石墨形式共價連接提供了充足的能量。透射電子顯微鏡觀察結果顯示，金剛石和石墨的特定晶面以特定的對應關系實現(xiàn)了共價連接，這一界面結構與傳統(tǒng)高溫高壓方法制備的共價金剛石-石墨界面存在顯著差異。
進一步的電子能量損失譜分析表明，界面處石墨的電子密度增加，顯示出sp2/sp3碳混合雜化特征，這意味著金剛石和石墨在共價鍵界面上形成了強相互作用。通過第一性原理計算，研究團隊揭示了這種強相互作用界面如何影響電子的轉移和分布，進而改變了界面碳的電子性質，導致石墨在Fermi能級附近的態(tài)密度異常增加，并在金剛石的導帶底引入局域能級。
這一研究不僅揭示了共價金剛石-石墨材料的生長機理，還展示了如何通過精確控制制備過程來調制材料的電子性質。研究成果以《Covalently-bonded diaphite nanoplatelet with engineered electronic properties of diamond》為題，發(fā)表于國際知名學術期刊《先進功能材料》上，并獲得了國家自然科學基金等機構的資助。
圖1：共價鍵合二聚體的制備路線和微觀結構表征。
圖 2：CVD 中共價鍵合二甲酸酯的生長機制。
圖 3：對共價鍵合二甲酸酯的電子性質的 CL 研究。
圖 4：對共價鍵合二甲酸酯的電子特性的 EELS 研究和 DFT 計算。
業(yè)內專家表示，這一突破性的研究不僅為金剛石電子器件的開發(fā)提供了新的思路，也為未來材料科學的發(fā)展開辟了新的方向。隨著研究的深入，這種新型共價金剛石-石墨材料有望在超硬材料、電子器件、能源存儲等多個領域展現(xiàn)出廣泛的應用前景。
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