硬碳膜

据美国物理学家组织网11月9日(北京时间)报道，2003年，科学家曾在实验中构建了一种新型的碳结构，但此项发现一直备受争议 最近，两组不同的研究团队利用不同方法确认了一种被称为体心四方碳的三维网络结构，认为这种结构与2003年所发现的并无二致。 　　纯碳以各种不同的结构形式存在，如石墨和金刚石。这种新型体心四方碳的结构出乎意料的简单，介乎金刚石的碳原子立方体和石墨的六方晶格碳原子薄片之间，为包含4个碳原子的方片，由垂直于方片的短键相连。这种形式的碳是石墨在常温下经高压形成的。 　　众所周知，石墨在冷压环境下(在室温下施以高压)，其转变是可逆的。2003年，美国斯坦福大学研究人员在一个金刚石压砧中对石墨进行压缩，同时获取X射线衍射图样以帮助确定结构内的键合。他们发现，当压力超过17吉帕(17万大气压)时，通常情况下为柔软状态的石墨中的碳原子形成了一种硬度足以粉碎金刚石的材料，但其结构尚不清楚。 　　在最新一期《物理评论B》上，由中国南开大学王慧田(音译)领导的科学家小组通过计算机模拟表明，这种超硬碳至少部分是由体心四方碳组成的。研究小组对15种可能结构进行研究后发现，透明的体心四方碳不仅只需很少的能量就能形成，其剪切强度甚至比金刚石还高出17%。如果这一结论能得以证实，也就意味着能在常温下制造出比金刚石更强的材料。 　　而在今年3月的《物理评论快报》上，由美国明尼苏达大学的雷纳特温茨克维奇和日本产业技术综合研究所的三宅隆等组成的另一组科学研究团队用不同方法得出了类似的结论。利用量子力学模拟对体心四方碳结构进行分析后，研究小组发现体心四方碳在18.6吉帕下比石墨更稳定，和M碳(一种包含有5个和7个碳原子环层的结构)混合后，其产生的X射线衍射图与2003年发现的碳结构匹配度甚高。

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北京时间2021年11月25日凌晨00时，吉林大学刘冰冰教授团队在国际顶级学术期刊Nature上发表了题为“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene”的新成果。课题组采用自主发展的大腔体压机超高压关键技术，利用C60碳笼压致塌缩形成的“非晶碳团簇”这一新的构筑基元，探索了其在20-37 GPa压力范围内的温压反应相图，首次成功实现了毫米级近全sp3非晶碳块体材料的合成。寻找新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题。作为自然界中最丰富的元素之一，碳具有多种杂化成键方式，形成的碳材料结构丰富、性质迥异，应用也极为广泛，因此，几乎每一种新碳材料的发现都引发了研究热潮。从材料形态和原子排列的有序度分类，碳材料可分为长程有序的晶态碳以及无序的非晶碳。石墨和金刚石就是典型的碳晶体，分别由碳原子通过全sp2成键和全sp3成键形成。正是由于碳原子杂化方式不同，金刚石与柔软的石墨性质差异极大。全sp3键的金刚石不仅硬度最高，还是集高热导、宽透光频带、宽禁带等多种优异性能于一体的多功能材料，被称为“工业牙齿”。而非晶碳材料，目前主要是以sp2键为主形成的无定型碳，具有与石墨相似的柔软、导电等特性。然而，合成与金刚石结构、性质相对应的，由全sp3键形成的非晶碳块体材料却一直未能实现，是碳材料领域长期未能突破的科学难题。近年来，非晶材料因展现出如各向同性等不同于晶态材料的显著特点，越来越受到人们的关注。探索新型非晶材料，建立结构与物性之间的关联，是非晶材料领域的重要课题。全sp3非晶碳块体材料的合成对非晶材料领域也具有重要意义。高压可以有效调控碳的杂化成键方式，是合成新型碳材料的重要技术手段。人造金刚石的合成就是利用高温高压大腔体技术实现的。为了实现全sp3非晶碳块体材料的合成，刘冰冰课题组基于对富勒烯C60高压研究的长期积累，提出了采用大腔体超高压技术，利用C60碳笼压致塌缩形成“非晶碳团簇”这一新的构筑基元，在更高温压区间反应合成全sp3碳块体非晶材料的研究思路。然而商用大腔体压机的压力极限只有25万大气压，难以满足对新材料高压研究的要求。因此，突破商用大腔体压机的压力极限，发展更高温压范围的大腔体压机技术至关重要。如何解决超高压与大腔体二者技术要求的矛盾，是问题的关键所在, 也是国际公认的技术难点。课题组近年来潜心攻关，首次利用国产的硬质合金压砧突破了商用Walker型大腔体压机的压力极限，发展了大腔体压机毫米级样品腔超高压产生的关键技术，在高温条件下实现了高达37万大气压的超高压力【Chin. Phys. Lett.2020, 37, 080701】，并借此技术首次成功实现了毫米级近全sp3非晶碳块体材料的合成。相关重要结果如下：1)首次实现了近全sp3非晶碳块体材料的合成：首次给出富勒烯C60在高温超高压区间（20-37 GPa）的反应相图，在苛刻的温压条件下，合成出了高质量、毫米级、透明的近全sp3非晶碳，sp3碳含量最高可达97.1%。2)破解了近全sp3非晶碳的结构难题：通过同步辐射技术与高分辨电镜技术结合，发现其是由具有短/中程序的四配位类金刚石sp3碳团簇形成的非晶结构。3)发现了近全sp3非晶碳具有优异的力、热、光学性能，创下多项非晶材料之最：近全sp3非晶碳的光学带隙高达2.7 eV；维氏硬度高达102 GPa（9.8 N载荷下），杨氏模量达到1182 GPa，可与金刚石相媲美；热导率高达26 W/mK，是目前非晶材料中发现的硬度、热导率、模量最高的材料。4)实现了非晶碳sp3含量与性能的精细调控：通过改变压力实现了对非晶碳中sp3含量的调控，发现了非晶碳sp3含量与光学带隙、热导率的正相关规律，获得了系列光学带隙可调（1.8 eV-2.7 eV）的非晶碳材料，比非晶硅、锗具有更大的带隙以及调控范围，为非晶材料的应用开辟了新的空间。图1.a，高质量sp3非晶碳块材的光学照片；b，sp3非晶碳样品的PDF分析；c，sp3非晶碳样品的维氏硬度测量；d，sp3非晶碳样品的热导率和硬度与其他非晶材料的比较。这些突破性成果被Nature审稿人高度评价为“世界上很少有研究小组的大腔体压机技术能够达到这么高的温压条件”，“非晶材料领域的重大进展”，“为超硬材料家族添加了独特的一员”，“提供了新颖的物理特性表征，对凝聚态物理和化学领域都是原创且极其有趣的”。值得一提的是，富勒烯C60发现至今已有30多年历史，刘冰冰教授研究团队自1996年起一直从事富勒烯及相关碳材料的高压研究。经过长期努力，课题组不断为这个“80后”的零维碳材料注入新鲜活力。早在2006年，课题组便取得了系列突破，获得了多种压致聚合富勒烯材料；提出了共晶与高压相结合的新思想，发现了一类由压致C60塌缩形成的“非晶团簇”构筑的长程有序碳结构（OACC结构），是继晶体、非晶和准晶后又一全新的结构类型，与合作者发表在Science上【Science, 2012, 337, 825】。随后进一步在C70等大碳笼、金属富勒烯等其他系列共晶体系中再现了这种新结构，通过调控非晶碳团簇的尺寸以及这种结构的对称性和周期，创制了一类全新碳材料【Adv. Mater., 2014, 26, 7257 Adv. Mater., 2015, 27, 3962 Adv. Mater., 2018, 30, 1706916 J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 7584】。正所谓“十年磨一剑，砺得梅花香”，该研究成果是课题组在富勒烯高压研究领域长期积累的基础上的再次突破。该研究成果第一完成单位为吉林大学超硬材料国家重点实验室，论文共同第一作者为尚宇琛博士、刘兆东教授、董家君博士，姚明光教授与刘冰冰教授为论文共同通讯作者。该成果是与中科院物理所汪卫华院士，瑞典于默奥大学B. Sundqvist教授，美国卡内基研究院费英伟研究员，吉林大学电子显微镜中心张伟教授，以及上海同步辐射光源的林鹤研究员等共同合作完成的。该工作得到了国家重点研发计划项目和国家基金委项目的资助。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03882-9