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学院先进材料研究中心胡晓君教授在国际权威期刊《PNAS》上发表颠覆性创新成果
作者:学院办公室 发布日期:2022-04-15 浏览次数:632

浙江工业大学材料科学与工程学院胡晓君教授团队研究成果以“Diamond formation mechanism in chemical vapor deposition”为题于2022年4月13日被最新一期美国国家科学院院刊《PNAS》在线报道。浙江工业大学为论文的唯一通讯单位,学院胡晓君教授为唯一通讯作者,团队成员蒋梅燕博士和陈成克博士为共同第一作者。

金刚石不仅可以制作光彩夺目的珠宝,也是未来光电子器件的重要基础材料。与天然钻石的稀缺一样,人造金刚石获取也十分困难!人造金刚石制造通常需要高温高压,且大面积制备存在巨大挑战,这极大地限制了其广泛应用。

学院先进材料研究中心胡晓君教授团队关注到在金刚石薄膜的化学气相沉积过程中,与石墨相比处于热力学亚稳态的金刚石能够在低压下形成,其独特的形成机制可能蕴藏着一种合成大面积金刚石的方法。然而,化学气相沉积的生长环境复杂,难以实现原位表征,因此探明该沉积过程中金刚石的形成机制一直是一个亟待解决的难题。

针对这个关键的机理性问题,胡晓君教授团队利用缓慢生长的方法“复原”了化学气相沉积金刚石的生长过程。发现金刚石的形成经历了纳米金刚石基体——竖立石墨烯初步生长——石墨烯长大弯曲成针状石墨——石墨消失恢复纳米金刚石基体的循环往复过程(如图);并采用多种表征手段证明了化学气相沉积过程中金刚石是由石墨低压下相变而成,颠覆了“碳原子直接堆积形成金刚石结构”的传统观念;气氛中的氢、氧和单分散钽原子在低压石墨/金刚石相变中起关键作用。该结果为基于石墨在常压下制备大面积金刚石提供了理论基础,也为理解其它具有 sp2 和 sp3 电子构型的材料的生长机制提供了一个新角度。

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▲石墨烯-金刚石循环生长及石墨转变为金刚石示意图

工作得到国家自然科学基金联合重点项目(U1809210)、国家重点研发计划项目(2016YFE0133200)、国家国际科技合作计划项目(2014DFR51160)、浙江省重点研发计划一带一路国际合作项目(2018C04021)、国家自然科学基金项目(50972129、50602039、11504325、52002351、 52102052)和浙江省自然科学基金项目(LQ15A040004、LY18E020013、LGC21E020001)资助。

《美国国家科学院院刊》是美国国家科学院的官方学术周刊,主要出版前沿研究报告、述评、综述、前瞻、学术讨论会论文等,是全球最负盛名的基础科学领域的学术杂志之一。

文章链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2201451119