金剛石不僅是光彩奪目的珠寶，也是未來(lái)光電子器件的重要基礎(chǔ)材料。與天然鉆石的稀缺一樣，人造金剛石獲取也十分困難！人造金剛石通常需要高溫高壓，且大面積制備十分困難，這極大地限制了其廣泛應(yīng)用。

材料科學(xué)與工程學(xué)院胡曉君教授團(tuán)隊(duì)關(guān)注到金剛石薄膜的化學(xué)氣相沉積過(guò)程中，與石墨相比處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)的金剛石能夠在低壓下形成，其獨(dú)特的形成機(jī)制可能蘊(yùn)藏著一種合成大面積金剛石的方法。然而，化學(xué)氣相沉積的生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)原位表征，因此該沉積過(guò)程中金剛石的形成機(jī)制一直是一個(gè)亟待解決的難題。

針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵的機(jī)理性問(wèn)題，胡曉君教授團(tuán)隊(duì)利用緩慢生長(zhǎng)的方法“復(fù)原”了化學(xué)氣相沉積金剛石的生長(zhǎng)過(guò)程。以“菜花”狀的納米金剛石顆粒為模板，采用一系列短時(shí)間生長(zhǎng)的策略，形成瞬時(shí)的生長(zhǎng)薄層，可采用HRTEM直接觀(guān)測(cè)，避免了常規(guī)高能離子轟擊制樣所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞，難以觀(guān)察真實(shí)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。該工作發(fā)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積過(guò)程中金剛石的形成是由石墨在低壓下的相變而成，并非傳統(tǒng)觀(guān)念中認(rèn)為金剛石結(jié)構(gòu)是由碳原子直接堆積形成；氣氛中的氫、氧和單分散鉭原子在低壓石墨/金剛石相變中起關(guān)鍵作用。該結(jié)果為基于石墨在常壓下制備大面積金剛石提供了理論基礎(chǔ)，也為理解其他具有 sp2 和 sp3 電子構(gòu)型的材料的生長(zhǎng)機(jī)制提供了一個(gè)新角度。

上述研究成果以“Diamond formation mechanism in chemical vapor deposition” 為題于2022年4月13日被最新一期《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》在線(xiàn)報(bào)道。浙江工業(yè)大學(xué)為論文的唯一通訊單位，浙江工業(yè)大學(xué)胡曉君教授為唯一通訊作者，團(tuán)隊(duì)成員蔣梅燕博士和陳成克博士為共同第一作者。

文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2201451119

研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目(U1809210)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFE0133200)、國(guó)家國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(2014DFR51160)、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目一帶一路國(guó)際合作項(xiàng)目(2018C04021)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50972129、50602039、11504325、52002351、 52102052)和浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ15A040004、LY18E020013、LGC21E020001)資助。

《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的官方學(xué)術(shù)周刊，主要出版前沿研究報(bào)告、述評(píng)、綜述、前瞻、學(xué)術(shù)討論會(huì)論文等，是全球最負(fù)盛名的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)雜志之一。

 “菜花”狀的金剛石顆粒及在其上短時(shí)生長(zhǎng)透射電鏡可穿透的薄層

“菜花”狀納米金剛石表面石墨烯-金剛石循環(huán)往復(fù)生長(zhǎng)過(guò)程的掃描電鏡和Raman光譜

 “菜花”狀納米金剛石表面石墨烯-金剛石循環(huán)往復(fù)生長(zhǎng)過(guò)程的透射電鏡圖

Ta, H和O促進(jìn)低壓點(diǎn)“石”成“鉆”計(jì)算圖