【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】7月30日，《自然》(Nature)刊發(fā)了北京高壓科學研究中心毛河光院士、楊文革團隊與超快光科學與技術全國重點實驗室、條紋相機工程中心羅端團隊的里程碑式成果，聯(lián)合研究團隊首次在國際上成功合成出百微米-毫米級、結構有序、高純度的六方金剛石塊體樣品，結合單晶X射線衍射、高分辨電子顯微成像及能譜學等多種表征手段，從不同角度全面證明了六方金剛石純相樣品的成功合成。
這一成果徹底終結了自1962年理論預言以來關于六方金剛石宏觀存在性的爭議，使得曾經只能在宇宙隕石中偶得一見的奇異材料，終于在實驗室中被復現(xiàn)。
論文第一作者為楊留響(北京高壓科學研究中心)，通訊作者為楊文革(北京高壓科學研究中心)、羅端(中國科學院西安光機所)和毛河光院士(北京高壓科學研究中心)。
六方金剛石因其可能優(yōu)于立方金剛石的強度、熱學與光學性能而廣受關注。然而，過去所有關于六方金剛石的“發(fā)現(xiàn)”都局限于極小尺寸、混相或結構不清的樣品，始終無法確認其作為“真正獨立材料”的存在。
聯(lián)合研究團隊采用單晶石墨作為前驅體，在金剛石壓砧內的準靜水高壓高溫條件(20GPa和1400°C)下成功合成出百微米級大小、高度有序的六方金剛石三重孿晶樣品。
西安光機所團隊依托超高時空分辨表征技術能力優(yōu)勢，通過原子分辨透射電鏡及電子能量損失譜測量等多種手段，在原子尺度深度剖析了合成的樣品，首次清晰觀測到兩種C-C鍵長(1.50 Å 和 1.58 Å)，揭示了其區(qū)別于立方金剛石的獨特“層內+層間”混合sp³鍵合方式，確證其為獨立、均一的純sp³碳相。樣品的維氏硬度高達110 GPa，性能可媲美天然立方金剛石。
圖1 高溫高壓合成的塊體六方金剛石和六方及立方金剛石結構示意圖
此前，聯(lián)合研究團隊圍繞破解石墨向金剛石轉化之謎開展聯(lián)合關鍵技術攻關，成功在原子空間與飛秒時間尺度下，完整捕捉到石墨向金剛石轉變的關鍵中間態(tài)與演化路徑以及多種新型亞穩(wěn)態(tài)結構，為前述成果奠定了原子尺度表征技術實現(xiàn)手段。主要突破體現(xiàn)在：
圖2 石墨向金剛石轉變的關鍵科學問題
1) 原子級“目擊”：揭示石墨向金剛石轉變的成核–生長機制
借助高分辨透射電鏡和電子衍射技術，研究團隊首次在原子尺度上直接觀察到理論預測的正交石墨(AB′ 堆垛)中間相，并完整捕捉了六角石墨(AB 堆垛)→正交石墨→六方/立方金剛石的原子級演化路徑，為“成核-生長”機制提供了直接實驗證據(jù)[2]。這些發(fā)現(xiàn)解決了近七十年來關于石墨-金剛石相變微觀路徑的核心疑問。
2) 飛秒級相變調控：實現(xiàn)光誘導二維金剛石瞬態(tài)生成
利用原子分辨的超快電子衍射技術，團隊對轉角雙層石墨烯進行了飛秒激光泵浦-超快電子探測實驗，首次發(fā)現(xiàn)具有特定AA/AB'堆垛的轉角石墨烯在約100 fs的超快時間尺度上形成瞬態(tài)二維金剛石結構“Diaphitene”，而純 AB 堆垛則未觀察到此現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)展示了超快光場調控相變的獨特潛能，為合成新型二維金剛石材料提供全新路徑[3]。
圖3 原子空間與飛秒時間尺度下石墨到金剛石相變過程
西安光機所與北京高壓科學研究中心長期在超快與高壓科學交叉領域保持深度合作關系，為推動極端條件下物質行為的研究邁向更高維度不懈努力，同時為探索新材料提供全新范式。
超快光科學與技術全國重點實驗室、條紋相機工程中心羅端團隊長期專注于超高時空分辨表征技術和超快動力學前沿應用研究，在超快電子束高效產生、精密時空調控以及超快前沿應用方面積累了大量經驗，近幾年在Nature、Science Advances、Nature Communications、Nano Letters等國際著名期刊發(fā)表多篇高水平論文，曾獲陜西省科學技術進步一等獎等榮譽。
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