——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國(guó)科學(xué)院辦院方針
語(yǔ)音播報(bào)
北京高壓科學(xué)研究中心毛河光和楊文革團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所羅端團(tuán)隊(duì),首次在國(guó)際上成功合成百微米-毫米級(jí)、結(jié)構(gòu)有序、高純度的六方金剛石塊體樣品,結(jié)合單晶X射線衍射、高分辨電子顯微成像及能譜學(xué)等表征手段,從不同角度全面證明了六方金剛石純相樣品的成功合成。這終結(jié)了1962年理論預(yù)言以來(lái)關(guān)于六方金剛石宏觀存在性的爭(zhēng)議,使得曾經(jīng)只能在宇宙隕石中偶得一見(jiàn)的奇異材料在實(shí)驗(yàn)室中被復(fù)現(xiàn)。
六方金剛石因可能優(yōu)于立方金剛石的強(qiáng)度、熱學(xué)與光學(xué)性能而備受關(guān)注。然而,過(guò)去所有關(guān)于六方金剛石的“發(fā)現(xiàn)”均局限于極小尺寸、混相或結(jié)構(gòu)不清的樣品,無(wú)法確認(rèn)其為“真正獨(dú)立材料”。
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)采用單晶石墨作為前驅(qū)體,在金剛石壓砧內(nèi)的準(zhǔn)靜水高壓高溫條件下成功合成百微米級(jí)大小、高度有序的六方金剛石三重孿晶樣品。
西安光機(jī)所團(tuán)隊(duì)依托超高時(shí)空分辨表征技術(shù)能力優(yōu)勢(shì),通過(guò)原子分辨透射電鏡及電子能量損失譜測(cè)量等手段,在原子尺度深度剖析了合成的樣品,首次清晰觀測(cè)到1.50 ?和1.58 ?兩種C-C鍵長(zhǎng),揭示其區(qū)別于立方金剛石的獨(dú)特“層內(nèi)+層間”混合sp3鍵合方式,確證其為獨(dú)立、均一的純sp3碳相。樣品的維氏硬度高達(dá)110 GPa,性能可媲美天然立方金剛石。
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)圍繞石墨向金剛石轉(zhuǎn)化之謎開(kāi)展聯(lián)合關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),在原子空間與飛秒時(shí)間尺度下,完整捕捉到石墨向金剛石轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵中間態(tài)和演化路徑以及多種新型亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),為高純度六方金剛石的合成奠定了原子尺度表征技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。一是借助高分辨透射電鏡和電子衍射技術(shù),首次在原子尺度上直接觀察到理論預(yù)測(cè)的正交石墨(AB′堆垛)中間相,并完整捕捉到六角石墨(AB堆垛)→正交石墨→六方/立方金剛石的原子級(jí)演化路徑,為“成核-生長(zhǎng)”機(jī)制提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這些發(fā)現(xiàn)解決了近70年來(lái)關(guān)于石墨-金剛石相變微觀路徑的核心問(wèn)題。二是利用原子分辨的超快電子衍射技術(shù),對(duì)轉(zhuǎn)角雙層石墨烯進(jìn)行飛秒激光泵浦-超快電子探測(cè)實(shí)驗(yàn),首次發(fā)現(xiàn)具有特定AA/AB'堆垛的轉(zhuǎn)角石墨烯在約100 fs的超快時(shí)間尺度上形成瞬態(tài)二維金剛石結(jié)構(gòu)“Diaphitene”,而純AB堆垛則未觀察到此現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)展示了超快光場(chǎng)調(diào)控相變的獨(dú)特潛能,為合成新型二維金剛石材料提供了全新路徑。
7月30日,相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》(Nature)上。
高溫高壓合成的塊體六方金剛石和六方及立方金剛石結(jié)構(gòu)示意圖
石墨向金剛石轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題
原子空間與飛秒時(shí)間尺度下石墨到金剛石相變過(guò)程
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