高压下的多孔金刚石单晶生长

四川大学原子与分子物理研究所高压科学与技术实验室贺端威教授团队研发了一种在高温高压条件下生长多孔金刚石单晶的技术。利用该技术，可以快速获得高孔隙率、高比表面积和强自锐性的毫米级多孔金刚石单晶。相关研究成果于近日发表于Carbon杂志【Porous single-crystal diamond, Carbon 183 (2021) 259-266】，论文第一作者为贺端威教授指导的博士生王俊普。

 近年来，多孔金刚石由于其多样化的表面修饰功能、高比表面积、强自锐能力以及与基体结合时的强把持力等特点而备受关注。多孔金刚石的优异性能使其成为一种应用广泛的优良材料，如：功能电极材料、超级电容器材料、吸附材料、催化材料和过滤材料等。此外，多孔单晶金刚石在工业上被广泛用作刀具、钻头、超精密磨削、抛光工具、电镀工具和涂层添加剂材料等。大量的潜在应用和需求显示了多孔金刚石广阔的发展前景。然而，由于金刚石的高硬度和化学稳定性，使得多孔金刚石的制备变得十分困难。化学气相沉积技术或过渡金属与离子蚀刻等方法是现有制备多孔金刚石的常用技术途径，然而这些方法会造成金刚石表面损伤，且效率低、制备成本高昂，并不适用于工业化批量生产。

基于上述背景，贺端威教授团队研发出了一种在高温高压下生长大单晶多孔金刚石的新技术：在金刚石的压强-温度相稳定区及熔媒环境中，小颗粒金刚石粉晶以大尺寸金刚石晶种作为模板，定向附着于晶种表面，实现多孔金刚石单晶的高效率生长。利用x射线衍射分析、劳埃衍射分析、扫描电子显微镜观察、拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜观察等方式对制备的多孔金刚石进行了表征。实验结果表明：小颗粒粉晶之间以及小颗粒粉晶和晶种之间通过共享晶面，在晶种表面对接而进行自组装，以外延的方式生长出多孔金刚石结构。从热、动力学的观点来看，这种生长机制的驱动力来源于金刚石晶粒间通过消除高能量表面从而降低整个体系的自由能。这一生长机制的提出和发现，为高质量多孔金刚石单晶的制备和工业化生产提供了新的思路。
该项研究成果于2021年7月被期刊《Carbon》接收发表，博士研究生王俊普为论文第一作者；贺端威教授为该论文的唯一通讯作者；四川大学原子与分子物理研究所为唯一研究单位。该研究得到了国家重点研发计划资助。

全文链接：Junpu Wang, Yuzhu Su, Yi Tian, Xiaojun Xiang, Jiawei Zhang, Shuaiqi Li，Duanwei He. Porous single-crystal diamond. Carbon, 183, 259-266, 2021,
DOI: 10.1016/j.carbon.2021.06.083
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