作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 低级金刚烃合成金刚石的鉴定与表征
(上图):激光加热数模转换器和样品示意图
底部:激光加热后样品(数模转换器内部)的透射光光学图像
(二)猝灭-至-环境压力金刚烷(C14H20)的代表性拉曼光谱，作为在5、15和20 GPa压力下增加合成温度的函数
每个拉曼光谱是从具有特定P-T值的单个激光点收集的
a
u
，任意单位
(三)在20千帕斯卡和2000千帕斯卡下由三烷形成的金刚石的扫描电子显微镜图像
成形良好的金刚石颗粒嵌入较小的晶体金刚石颗粒中
(四)平行于激光加热光束方向的三烷合成金刚石的透射电镜图像
比例尺，1微米[(丙)和(丁)]
(五)HRTEM图像，显示对应于2的金刚石(111)平面的d-间距
06 0
03 Å
比例尺，5纳米
(六)比例尺为21/纳米的相应选区电子衍射图
(G)来自金刚石颗粒的鳗鱼，代表由三mantane形成的金刚石的几乎完全sp3杂交(见图
石墨薄片和无花果扫描电镜和电子能谱S3分析
S4用于金刚石的能量色散x射线光谱和金纳米粒子的XRD图案和扫描电镜图像)
学分:科学进步，doi: 10
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aay9405 在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中，苏尔吉耶公园和一个地质科学、材料和能源科学的研究小组在美国进行了先进的研究和先进的辐射源
S
中国北京开发了一种性能优异的碳基纳米材料
他们使用新的“钻石”作为发展激光诱导、高压和高温钻石的先驱
在该研究中，产生钻石的最低压力和温度条件分别为约2000千帕时12千帕和20千帕时900千帕
与使用常规烃同素异形体的金刚石合成相比，该工作显示出显著降低的转变障碍
Park等人
将这些观察归功于结构上的相似性以及类金刚石和大块金刚石的完全sp3杂交
在19秒内，在20 GPa下，钻石到钻石的转换迅速发生
使用分子动力学模拟，他们表明脱氢作用使剩余的类金刚石碳笼在高压和高温下重建成类金刚石结构(P-T)
该研究成功绘制了P-T条件和钻石转化为钻石的起始时间，以明确解释促进钻石合成的化学和物理因素
金刚石具有许多优异的性能，是技术和商业上最重要的材料之一
自19世纪早期合成钻石的尝试以来，材料科学家们一直致力于设计节能方法和前驱体来生产高质量的钻石
由于碳前体直接转化为金刚石相的高能量屏障，通常需要试剂
为了理解金刚石合成技术的潜在机理，设计一种新的前驱体系统用于简易的金刚石合成并降低能量和时间障碍是一个关键的进步
低级金刚烃的P-T合成图
(一)与使用各种合成技术的常规碳材料相比，金刚石由较低的类金刚石形成的P-T范围(6)
图表中的高温高压代表高压或多砧装置下激光加热合成的高压高温金刚石
催化剂高温高压是指在试剂/催化剂的辅助下形成的金刚石
黑色虚线代表基于这一工作从金刚石合成金刚石的区域
(乙到丁)金刚烷、金刚烷和三金刚烷生成金刚石和石墨的P-T合成图
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aay9405 金刚烷是最小的氢封端碳笼，可以叠加在钻石晶格上
该材料完全由sp3杂化键制成，并包括相对于大块金刚石而言的其他优异性能，包括刚性、热稳定性和原子级均匀性
虽然先前的研究证实了使用类金刚石作为有前途的金刚石前体，但科学家们试图通过对压力-温度(P-T)阶段的系统研究来了解类金刚石向金刚石转变的机理途径
为了实现这一点，帕克等人
使用激光加热的金刚石砧座(DACs)来探索在不使用额外试剂的情况下从金刚烷、金刚烷和三金刚烷等一系列低级金刚烷合成金刚石
研究小组观察到，与最低P-T边界的其他(氢)碳材料相比，较低的类金刚石转变为金刚石的能量和时间屏障大大降低
这些发现阐明了控制碳氢化合物向金刚石转化的基本性质和机制，从而实现节能省时的金刚石合成
在高压下激光加热金刚石时
观察到两种不同的相有助于石墨和立方金刚石的形成
在20 GPa和约1200至2200 K时，金刚石形成为主要产物，没有石墨的迹象
结果表明，如果研究小组不能通过增加激光加热的持续时间或更高的温度来克服相变的动力学障碍，氢化的类金刚石无定形碳就会沿着金刚石形成
当研究小组优化条件时，金刚石到金刚石的相变直接发生，没有石墨形成
Park等人
使用透射电子显微镜(TEM)图像来验证在20 GPa和2000 K下三烷形成金刚石
下金刚石形成的起始时间
(一)三种金刚烷的原位XRD图谱随激光加热时间的增加而变化
未标记的峰属于样品
(二)二维衍射图像的蛋糕积分突出了金刚石生长的纹理作为增加激光加热时间的函数
纳米金刚石和多晶金刚石的代表性扫描电镜图像
比例尺，2微米
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aay9405 当科学家们将下面三种金刚石的P-T合成图与石墨等传统材料进行比较时，他们发现金刚石形成的温度阈值要低得多
在所研究的三种金刚烷中，三金刚烷需要最低的温度才能在给定的压力下形成钻石
该小组还通过控制激光加热金刚烷、金刚烷和三金刚烷的持续时间来研究钻石形成的开始时间
他们使用二维x光粉末衍射对金刚石颗粒尺寸进行了定性分析，显示出随着激光加热的增加，金刚石颗粒尺寸增加
这种转变的特征是从纳米尺寸金刚石典型的微弱而宽的衍射线逐渐过渡到多晶金刚石晶粒生长特征的较长时间内的纳米线和点状线
该团队还使用从头分子动力学(AIMD)模拟来支持实验结果，并证实了类金刚石到金刚石的转化途径
碳碳键长度的径向分布函数和碳碳角的角分布函数伴随着结构的转变
科学家们注意到碳-碳配位增加了三倍，而碳-碳配位减少了两倍——远离类似石墨的特征
在40 GPa的高压下，80%的碳原子显示出四重配位，表明向类金刚石结构转变
此后的所有观察都与金刚石的形成相一致
用于阐明金刚烷到金刚石转变的AIMD模拟
(一)原始金刚烷单位细胞
(二)金刚烷在40千帕斯卡和2000千帕斯卡下165飞秒后脱氢
有28%的氢自由基形成
插图代表一个尚未破裂的原始金刚烷笼子
(三)金刚烷在40千帕斯卡和2000千帕斯卡下215飞秒后脱氢
形成大约37%的氢自由基和5%的二氢分子
插图是一个轻微扭曲但仍然完整无损的金刚烷笼子
捕获的脱氢过程都是完全弛豫前的亚稳态
氢键距离截止值为0
851 Å
(4)金刚烷在5 GPa和2000 K时在t3完全松弛
虽然这些层在结构上不在同一平面上，但是可以清楚地观察到石墨烯状的特征，如灰色阴影区域所示
金刚烷的碳-碳RDF、ADF和氯化萘，5 GPa和2000 K
金刚烷在40 GPa和2000 K时的完全弛豫结构
带有四重配位的碳原子被染成粉红色
在40 GPa和2000 K时金刚烷的碳-碳RDF、ADF和氯化萘
无氢系统的模拟时间为9 ps
t1、t2和t3分别代表0、4和9 ps
学分:科学进步，doi: 10
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aay9405 Park等人
归功于低金刚烃和大块金刚石之间的相似性，阐明了与常规碳同素异形体相比，金刚石形成过程中观察到的能量势垒降低
AIMD的计算还表明，钻石在P-T高地对大块钻石结构有着特殊的“记忆”
在被调查的低等金刚烷中，研究小组注意到三烷需要最低的P-T才能形成钻石
尽管金刚烷和金刚烷都需要至少三个特定取向的碳框架来形成立方金刚石结构，但是只有两个三金刚烷碳框架需要连接才能生长成延伸的立方金刚石
三烷结构中季碳原子和周围叔碳原子的存在进一步促进了这一过程
下金刚石形成金刚石的机理
(一)两个未钝化的金刚烷分子只能融合形成一个六角形的钻石笼
(二)两个未钝化的金刚烷分子只能融合形成一个六角形的钻石笼
(三)两个未钝化的三烷分子融合形成一个立方菱形笼，由四元碳原子(蓝色球体)和周围的三元碳原子(绿色圆圈)构成
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aay9405 通过这种方式，苏吉叶·帕克和他的同事展示了钻石作为合成钻石的有前途的候选物
这项工作提供了一种能量上优越的途径来形成微秒量级的金刚石，而不需要额外的试剂来改变所得金刚石的纯度
结果详细说明了影响烃转化为金刚石的基本性质和机理途径
这项工作表明，在从量子物理到生物科学的各种技术应用中，类金刚石有望用于简便的金刚石合成和研究金刚石中的发光缺陷
能量和时间效率高的前体可以用目标缺陷元素掺杂或功能化，以便科学家更好地理解和发现包含钻石的颜色中心(晶体缺陷)
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