2024-06-12
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在材料科學(xué)領(lǐng)域，一種全新的共價金剛石-石墨材料引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。這種材料不僅結(jié)合了金剛石和石墨的卓越性能，如超硬、極韌和導(dǎo)電性，還在超硬材料和電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的研究和發(fā)展?jié)摿Α＝?，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心的研究團(tuán)隊(duì)在離子體化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)上取得突破，成功制備出這一新材料，并對其生長機(jī)理和電子性質(zhì)進(jìn)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(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)受到科學(xué)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(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，在等離子體CVD技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過精心設(shè)計(jì)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(jìn)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(jié)果顯示，金剛石和石墨的特定晶面以特定的對應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了共價連接，這一界面結(jié)構(gòu)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(jìn)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(qiáng)相互作用。通過第一性原理計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)揭示了這種強(qiáng)相互作用界面如何影響電子的轉(zhuǎn)移和分布，進(jìn)而改變了界面碳的電子性質(zhì)，導(dǎo)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(dǎo)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(jī)理，還展示了如何通過精確控制制備過程來調(diào)制材料的電子性質(zhì)。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(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》上，并獲得了國家自然科學(xué)基金等機(jī)構(gòu)的資助。
圖1：共價鍵合二聚體的制備路線和微觀結(jié)構(gòu)表征。
圖 2：CVD 中共價鍵合二甲酸酯的生長機(jī)制。
圖 3：對共價鍵合二甲酸酯的電子性質(zhì)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(jì)算。
業(yè)內(nèi)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(xué)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(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。
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