超硬材料網

      等離子體氣相沉積制造的納米晶金剛石的壓力已經比地球中心的壓力高出近兩倍。 一項新的研究發現，這些新型的納米晶金剛石微砧的制造工藝已被證明是“非常一致的”，并表明“在制造上具有高度的可重復性”。寶石鉆石（頂部）的平坦表面上的這個結塊是納米晶體鉆石，是一般人的頭發寬度的一半。 

較高的放大倍數（底部）顯示了納米晶金剛石的顆粒結構。圖片來源：UAB

       Yogesh Vohra博士使用等離子體氣相沉積法制造的納米晶金剛石，其壓力已經比地球中心高出近兩倍。

       現在，他在“科學報告”上發表的一篇研究報告中報告說，這些新型納米晶金剛石微砧的制造過程已被證明是“非常一致的”，并已表明了“制造的高度可重復性”。

       阿拉巴馬大學伯明翰分校UAB藝術與科學學院的物理學教授兼大學學者Vohra說：“這些結果鼓舞人們在極端的壓力和溫度條件下繼續研究材料”。

       納米晶體鉆石看起來像是在三分之一克拉的寶石鉆石平底表面上生長的一種微小的材料。 為了構造該結塊，該寶石鉆石用中心蝕刻出具有15至20微米的圓的鎢薄膜涂覆。 納米晶金剛石開始在寶石金剛石表面上的那個圓周上生長為微小的金剛石晶粒。 通過加熱甲烷，氫氣和氮氣制成的等離子體的氣相沉積形成晶粒。

       等離子體是一種熱的、電離的氣態物質，是繼液體、固體和氣態之后的第四種物質狀態。納米金剛石的晶粒通常在5到100納米之間。

       Vohra和uab的同事們在合成開始后的一分鐘、三分鐘和十五分鐘觀察了納米晶的早期成核形態，他們發現納米晶金剛石的成核開始迅速，不需要在生長前表面播種少量的鉆石。相反，在其他一些表面上生長金剛石需要這樣的種子。

       生長一分鐘后，電子顯微鏡圖像顯示出單晶寶石金剛石表面有大量的成核點，3分鐘時，只有小面積的寶石表面沒有納米晶金剛石的覆蓋，15分鐘后，納米晶顆粒的覆蓋完全而均勻，開始在整個生長區域聚集在一起。

       生長在三到六小時之間減慢，納米晶金剛石傾向于凝聚成半球形結構。 Vohra說，這個幾何形狀在UAB研究人員每兩個階段的生長實驗中一直觀察到。 此外，似乎有一個幾何生長極限。

       納米晶塊極大地提高了金剛石微砧所能達到的壓力。 晶體尺寸為300微米的單晶寶石鉆石，沒有納米晶體，只能產生75千兆帕斯卡的壓力。 當添加納米晶金剛石時，微砧可以產生多達500千兆帕斯卡的壓力。 UAB的研究人員希望用他們的納米晶體金剛石微砧達到1,000千兆帕斯卡或者一千帕斯卡的壓力。 這接近土星行星中心的壓力。

       這種巨大的壓力可能會產生尚未知的新材料，也可用于研究材料的相變和壓縮行為。 在自然界，如此巨大的地下深處的力量可以把碳變成鉆石，或把火山灰變成石板。

       UAB小組還檢查了金剛石-砧式電池裝置在壓縮和減壓過程中出現分離的納米晶金剛石微粉。研究人員利用電子力顯微鏡，掃描電子顯微鏡和拉曼光譜，發現分離失敗發生在底部表面下方的單晶寶石金剛石砧座的大部分中，而不是在寶石金剛石和納米晶體金剛石結塊之間的界面處。

       這表明寶石金剛石和納米晶體金剛石結塊之間的界面粘合強度似乎是相當大的，并且界面能夠承受超高剪切應力。

       Vohra表示，UAB研究人員將繼續研究操縱界面處的晶粒尺寸和粘合強度，以優化用于高壓研究的納米晶金剛石微砧。