第一作者：Yan Gong

通訊作者：Da Luo, Won Kyung Seong, Rodney S. Ruoff

通訊單位：韓國蔚山科學技術院

論文速覽

天然鉆石是在地球上地幔的金屬熔體中形成的，溫度為900–1400攝氏度，壓力為5–6 GPa。根據碳的相圖，金剛石在高壓和高溫條件下是熱力學穩定的。

1955年，通用電氣公司的科學家發明并使用了一種高壓高溫設備，在大約7 GPa和1600℃的溫度下用熔融硫化鐵合成金剛石。現有的模型認為，只有在高壓和高溫下才能用液態金屬生長金剛石。

本研究中，在1個大氣壓和1025°C的條件下，使用液態金屬而非高壓高溫的傳統方法，成功生長出金剛石晶體和多晶金剛石薄膜。這一過程通過催化甲烷和碳原子在液態金屬亞表面的擴散實現。

液態金屬表面下碳的過飽和導致金剛石的成核和生長，硅在穩定參與成核的四價碳團簇中起重要作用，這些碳團簇對成核至關重要。這種在適中溫度和1個大氣壓下生長的金剛石，為基礎科學研究和這種生長類型的規模化開辟了多種可能性。

圖文導讀

圖1：展示了實驗設置示意圖、石墨坩堝、在液態金屬表面生長的金剛石晶體的掃描電鏡（SEM）圖像，以及生長不同時間后的金剛石薄膜的光學圖像和原子力顯微鏡（AFM）圖像。說明了在液態金屬表面合成金剛石的過程和生長時間對金剛石薄膜形態的影響。

圖2：通過¹³C標記的生長金剛石的拉曼光譜和光致發光（PL）圖譜，不同生長配置下金剛石和石墨的特征拉曼帶和光致發光峰，以及金剛石薄膜的碳同位素標記結果。

圖3：透射電鏡（TEM）圖像和能量色散X射線光譜（TEM-EDS）線掃描分析，揭示了生長金剛石薄膜的截面結構和元素分布，以及液態金屬與金剛石界面的詳細結構。

總結展望

本研究在1個大氣壓和適中溫度條件下，利用液態金屬合金生長出金剛石，這一發現打破了以往認為只能在高壓高溫下生長鉆石的傳統觀念。

通過實驗和理論計算，研究團隊揭示了硅在金剛石成核中的作用，以及碳在液態金屬中的溶解和擴散機制。該方法不僅為合成金剛石提供了一種新的途徑，而且為進一步的基礎科學研究和工業應用開辟了新的可能性。

研究還指出，通過簡單的改進，如使用更大的表面或界面、配置加熱元件以實現更大的生長區域，以及采用新的方式將碳分布到金剛石生長區域，有望實現大面積金剛石的生長。

文獻信息

標題：Growth of diamond in liquid metal at 1 atm pressure

期刊：Nature

DOI：10.1038/s41586-024-07339-7