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    我国学者在新型非晶碳材料领域取得进展

    日期 2021-12-08   来源:工程与材料科学部   作者:赖一楠 陈克新 熊杰 郝亚楠  【 】   【打印】   【关闭

    图1 (a)高质量sp3非晶碳块材的光学照片;(b) sp3非晶碳样品的PDF分析;(c) sp3非晶碳样品的维氏硬度测量;(d) sp3非晶碳样品的热导率和硬度与其他非晶材料的比较

      在国家自然科学基金项目(批准号:51822204、51320105007)等资助下,吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授团队,在新型非晶碳材料领域取得进展。研究成果以“从塌缩的富勒烯合成大尺寸超硬非晶碳块材(Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene)”为题,于2021年11月24日在线发表于《自然》(Nature)期刊上。论文链接为:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03882-9。

      寻找新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题。碳材料结构丰富、性质迥异。作为晶态材料,全sp3键的金刚石与全sp2键的石墨,在硬度、电学、光学性能等方面具有显著差异。近年来,非晶材料因展现出如各向同性等不同于晶态材料的显著特点,成为材料领域关注的焦点。然而,人们熟知的非晶碳材料多是与石墨相对应的、以sp2键为主的无定型碳,合成与金刚石结构、性质相对应的,由全sp3键形成的非晶碳块体材料一直是碳材料领域长期未能突破的科学难题,对非晶材料领域也具有重要意义。

      研究团队基于对富勒烯C60高压研究的长期积累,提出了采用大腔体超高压技术,利用C60碳笼压致塌缩形成“非晶碳团簇”这一新的构筑基元,在更高温压区间反应合成全sp3非晶碳块体材料的研究思路。首次利用国产的硬质合金压砧突破了商用Walker型大腔体压机的压力极限,发展了大腔体压机毫米级样品腔超高压产生的关键技术,在高温条件下实现了高达37万大气压的超高压力,并借此技术首次成功实现了毫米级近全sp3非晶碳(sp3碳含量最高可达97%)块体材料的合成。合成的sp3非晶碳具有优异的力、热、光学性能,创下多项非晶材料之最,其光学带隙高达2.7 eV;维氏硬度高达102 GPa(9.8 N载荷下),杨氏模量达到1182 GPa,可与金刚石相媲美;热导率高达26 W/mK,是目前非晶材料中发现的硬度、热导率、模量最高的材料。

      研究团队还实现了非晶碳sp3含量与性能的精细调控,获得了系列光学带隙可调(1.8-2.7 eV)的非晶碳材料,比非晶硅、锗具有更大的带隙以及调控范围,为非晶材料的应用开辟了新的空间。




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