液态金属合金助力常压生产人造金刚石

科技日报讯 一个由韩国基础科学研究所(IBS)领导的研究团队使用由镓、铁、镍和硅组成的液态金属合金做金属助熔剂，在1个大气压和1025℃的条件下生成了人造金刚石。这一成果有助于深化基础科学研究并以新方式扩大金刚石生长规模。该项研究成果发表在最新一期《自然》上。

目前，人造金刚石大部分是用高压高温方法生产的。通常是将石墨和金属助熔剂放在压力机中，在极高压(5Gpa—6Gpa)下加热到高温(1300℃—1600℃)后生成，而在更加温和条件下合成金刚石仍然很难。

现在，IBS的罗德尼·鲁夫教授团队利用新的液态金属助熔剂降低金刚石的形成势垒，从而实现金刚石在常压条件下生长。研究人员进行了一系列实验，最终成功使用自制冷壁真空系统合成了金刚石。

研究小组发现，金刚石生长在一种液态金属合金的亚表面上，该合金由镓、镍、铁、硅的混合物组成，在约1025℃、1个大气压下暴露在甲烷－氢气中。

同步加速器二维X射线衍射测量证实合成的金刚石具有非常高纯度，其结构中存在硅空位色心。研究人员认为，这种具有硅空位色心的人造金刚石可能在磁感应和量子计算中具有应用价值。

团队深入研究了金刚石在这些新条件下成核和生长的可能机制。样品横截面高分辨率电子显微镜成像显示，与金刚石直接接触的凝固液态金属中有约30—40纳米厚的亚表面非晶区域。该非晶区域顶部表面大约有27%的原子是碳原子，碳浓度随着深度的增加而降低。进一步实验发现，液态金属中心区域温度较低。这种温度梯度促使碳向中心区域扩散，促进了金刚石生长。硅在金刚石增长中扮演着关键角色，可能参与了金刚石的初始成核。此外，通过用钴代替镍或用镓—铟混合物代替镓，可以生长出高质量的金刚石。