【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(xué)研究中心毛河光院士、楊文革團(tuán)隊(duì)與超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、條紋相機(jī)工程中心羅端團(tuán)隊(duì)的里程碑式成果，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)首次在國(guó)際上成功合成出百微米-毫米級(jí)、結(jié)構(gòu)有序、高純度的六方金剛石塊體樣品，結(jié)合單晶X射線衍射、高分辨電子顯微成像及能譜學(xué)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(jié)了自1962年理論預(yù)言以來(lái)關(guān)于六方金剛石宏觀存在性的爭(zhēng)議，使得曾經(jīng)只能在宇宙隕石中偶得一見的奇異材料，終于在實(shí)驗(yàn)室中被復(fù)現(xiàn)。
論文第一作者為楊留響(北京高壓科學(xué)研究中心)，通訊作者為楊文革(北京高壓科學(xué)研究中心)、羅端(中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所)和毛河光院士(北京高壓科學(xué)研究中心)。
六方金剛石因其可能優(yōu)于立方金剛石的強(qiáng)度、熱學(xué)與光學(xué)性能而廣受關(guān)注。然而，過去所有關(guān)于六方金剛石的“發(fā)現(xiàn)”都局限于極小尺寸、混相或結(jié)構(gòu)不清的樣品，始終無(wú)法確認(rèn)其作為“真正獨(dú)立材料”的存在。
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)采用單晶石墨作為前驅(qū)體，在金剛石壓砧內(nèi)的準(zhǔn)靜水高壓高溫條件(20GPa和1400°C)下成功合成出百微米級(jí)大小、高度有序的六方金剛石三重孿晶樣品。
西安光機(jī)所團(tuán)隊(duì)依托超高時(shí)空分辨表征技術(shù)能力優(yōu)勢(shì)，通過原子分辨透射電鏡及電子能量損失譜測(cè)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(cè)到兩種C-C鍵長(zhǎng)(1.50 Å 和 1.58 Å)，揭示了其區(qū)別于立方金剛石的獨(dú)特“層內(nèi)+層間”混合sp³鍵合方式，確證其為獨(dú)立、均一的純sp³碳相。樣品的維氏硬度高達(dá)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(jié)構(gòu)示意圖
此前，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)圍繞破解石墨向金剛石轉(zhuǎn)化之謎開展聯(lián)合關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，成功在原子空間與飛秒時(shí)間尺度下，完整捕捉到石墨向金剛石轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵中間態(tài)與演化路徑以及多種新型亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，為前述成果奠定了原子尺度表征技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。主要突破體現(xiàn)在：
圖2 石墨向金剛石轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵科學(xué)問題
1) 原子級(jí)“目擊”：揭示石墨向金剛石轉(zhuǎn)變的成核–生長(zhǎng)機(jī)制
借助高分辨透射電鏡和電子衍射技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)首次在原子尺度上直接觀察到理論預(yù)測(cè)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(jí)演化路徑，為“成核-生長(zhǎng)”機(jī)制提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)[2]。這些發(fā)現(xiàn)解決了近七十年來(lái)關(guān)于石墨-金剛石相變微觀路徑的核心疑問。
2) 飛秒級(jí)相變調(diào)控：實(shí)現(xiàn)光誘導(dǎo)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(shù)，團(tuán)隊(duì)對(duì)轉(zhuǎn)角雙層石墨烯進(jìn)行了飛秒激光泵浦-超快電子探測(cè)實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)具有特定AA/AB'堆垛的轉(zhuǎn)角石墨烯在約100 fs的超快時(shí)間尺度上形成瞬態(tài)二維金剛石結(jié)構(gòu)“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(chǎng)調(diào)控相變的獨(dú)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(shí)間尺度下石墨到金剛石相變過程
西安光機(jī)所與北京高壓科學(xué)研究中心長(zhǎng)期在超快與高壓科學(xué)交叉領(lǐng)域保持深度合作關(guān)系，為推動(dòng)極端條件下物質(zhì)行為的研究邁向更高維度不懈努力，同時(shí)為探索新材料提供全新范式。
超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、條紋相機(jī)工程中心羅端團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專注于超高時(shí)空分辨表征技術(shù)和超快動(dòng)力學(xué)前沿應(yīng)用研究，在超快電子束高效產(chǎn)生、精密時(shí)空調(diào)控以及超快前沿應(yīng)用方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，近幾年在Nature、Science Advances、Nature Communications、Nano Letters等國(guó)際著名期刊發(fā)表多篇高水平論文，曾獲陜西省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。
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