碳的新阶段使研究人员能够在室温下制造金刚石结构 2017-02-10 12:24:21

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这是使用新技术制造的微米金刚石的扫描电子显微镜图像

北卡罗来纳州立大学的研究人员发现了一个新的固体碳阶段,并开发了一种技术,利用这种碳在室温和环境大气压下在空气中制造与钻石相关的结构

新型固体碳,称为Q-碳,不同于已知的石墨和金刚石相

阶段是相同材料的不同形式

石墨是碳的固相之一;钻石是另一种

“我们现在已经创造了碳的第三个固体阶段,”北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系John C. Fan杰出讲座教授Jay Narayan说道,他是三篇描述这项工作的论文的第一作者

“它可能在自然界中找到的唯一地方可能是某些行星的核心

”Q-carbon有一些不同寻常的特征

首先,它是铁磁性的 - 其他固体形式的碳不是铁磁性的

“我们甚至认为这不可能,”纳拉扬说

此外,Q-carbon比金刚石更硬,并且在暴露于甚至低水平的能量时发光

“Q-carbon的强度和低工作功能 - 它释放电子的意愿 - 使其非常有希望开发新的电子显示技术,”Narayan说

但Q-carbon也可用于制造各种单晶金刚石物体

要理解这一点,您必须了解创建Q-carbon的过程

研究人员从基板开始,例如蓝宝石,玻璃或塑料聚合物

然后用无定形碳 - 元素碳涂覆基底,与石墨或金刚石不同,它不具有规则的,明确定义的晶体结构

然后用持续约200纳秒的单个激光脉冲击打碳

在此脉冲期间,碳的温度升高至4,000开尔文(或约3,727摄氏度),然后快速冷却

该操作在一个大气压下进行 - 与周围空气的压力相同

最终结果是Q-carbon薄膜,研究人员可以控制制作20纳米到500纳米厚的薄膜的过程

通过使用不同的基板和改变激光脉冲的持续时间,研究人员还可以控制碳冷却的速度

通过改变冷却速度,它们能够在Q碳中形成金刚石结构

“我们可以制造金刚石纳米针或微针,纳米点或大面积金刚石薄膜,应用于药物输送,工业流程以及创建高温开关和电力电子产品,”Narayan说

“这些钻石物体具有单晶结构,使其比多晶材料更坚固

这一切都是在室温和环境气氛下完成的 - 我们基本上使用的激光器就像激光眼科手术一样

因此,这不仅可以让我们开发新的应用程序,而且这个过程本身相对便宜

“而且,如果研究人员希望将更多的Q-carbon转换为钻石,他们可以简单地重复激光脉冲/冷却过程

如果Q-carbon比钻石更硬,那么为什么有人想制造钻石纳米点而不是Q-carbon

因为我们还有很多东西可以学习这种新材料

“我们可以制作Q-carbon电影,我们正在学习其属性,但我们仍处于理解如何操纵它的早期阶段,”Narayan说

“我们对钻石了解很多,所以我们可以制作钻石纳米点

我们还不知道如何制作Q-carbon纳米点或微针

这是我们正在努力的事情

“北卡罗来纳州立大学已经就Q-carbon和钻石创造技术提交了两项临时专利

两篇论文描述了这项工作,这两篇论文均由北卡罗来纳州立大学博士共同撰写

学生Anagh Bhaumik

“碳,铁磁和转化为钻石的新阶段”将于11月30日在线发表在应用物理杂志上

“在环境压力和空气温度下将无定形碳直接转化为金刚石”于10月7日发表在APL Materials杂志上

这项工作部分由国家科学基金会资助,资助号为DMR-1304607

出版物:资料来源:北卡罗来纳州立大学