金剛石是碳的高壓同素異形體，是自然界中已知的最堅(jiān)硬的材料，具有廣泛的工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用。金剛石卓越性能的關(guān)鍵是它的彈性，這與它超凡的硬度、剪切強(qiáng)度和不可壓縮性有關(guān)。在高壓條件下，金剛石的結(jié)構(gòu)是通過(guò)馬氏體過(guò)程構(gòu)建的，其中sp3碳鍵沿著特定的剪切方向形成。相反，破壞sp3鍵合的過(guò)程(例如，從金剛石到石墨的轉(zhuǎn)變)通常是間接的和動(dòng)力學(xué)抑制的。sp3碳鍵的形成和排列是金剛石的特征，其共價(jià)性質(zhì)決定了其彈性性質(zhì)。盡管有許多理論工作，但彈性性質(zhì)的直接測(cè)量?jī)H限于~ 1.4千巴(kb)壓力。
       近日，北京高壓科學(xué)研究中心胡清揚(yáng)等相關(guān)研究人員報(bào)告了在多面砧壓機(jī)中從 1 個(gè)大氣壓到 12.1 吉帕 (GPa) 對(duì)無(wú)空隙金剛石粉末彈性的超聲波干涉測(cè)量。我們得到金剛石的高精度體積模量 K= 439.2(9) GPa, K' = 3.6(1), 剪切模量 G= 533(3) GPa, G' = 2.3(3), 這與第一性原理模擬結(jié)果一致。與之前的等溫狀態(tài)方程實(shí)驗(yàn)相比，這項(xiàng)工作中獲得的 K' 明顯更大，表明“n-m”Mie-Grüneisen 模型并不能完全描述金剛石。在這項(xiàng)工作中測(cè)量的結(jié)構(gòu)和彈性特性可以在廣泛的壓力范圍內(nèi)提供一個(gè)穩(wěn)健的初級(jí)壓力標(biāo)度。
       相關(guān)研究成果以“Ultrasound elasticity of diamond at gigapascal pressures”為題，發(fā)表在PNAS上。

圖 1. 無(wú)空隙金剛石樣品的光學(xué)和掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。(A) 顯微鏡圖像。在高分辨率掃描電鏡圖像下，小的黑色顆粒不是孔隙。(B) 顯示表面顆粒的二次電子圖像 (ESI)。(C) ESI 表面粒子的放大圖。（D，插圖）僅在樣品邊緣觀察到約 1 μm 的表面孔隙。縮寫(xiě)：LED，發(fā)光二極管；WD，工作距離。

圖 3. 金剛石作為主要壓力標(biāo)度。(左)由積分得到的絕對(duì)壓力(Pabs)與由Wang-Chen-Qi聲壓標(biāo)度得出的壓力。插圖為Pabs與帶誤差條的聲壓標(biāo)度(P-Pabs)的差值。差異低于0.2 GPa。(右)金剛石拉曼頻率與體積模量的關(guān)系。
超聲波干涉測(cè)量的最新進(jìn)展幫助我們將金剛石的高壓彈性范圍從千巴增加到千兆帕水平。我們的原位波速測(cè)量證實(shí)，金剛石的共價(jià)鍵在壓力下得到加強(qiáng)。此外，關(guān)于壓縮金剛石聲速的信息將有利于對(duì)富含碳的系外行星的研究，如55 Cancri e ，這顆行星可能具有以金剛石為主的地幔殼。
       從DAC到多砧壓機(jī)的燒結(jié)金剛石立方體，高壓科學(xué)的進(jìn)展在很大程度上依賴于金剛石的使用。金剛石拉曼邊緣不僅是理想的壓縮工具，也是DAC用戶最受歡迎的壓力表之一。然而，對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期以來(lái)一直追求從靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)中開(kāi)發(fā)出一種可以與動(dòng)態(tài)壓縮相比較的主要壓力標(biāo)度，并將其錨定在各種光學(xué)或x射線測(cè)量?jī)x上。由于其前所未有的熱穩(wěn)定性和不可壓縮性，一個(gè)小的、單個(gè)的金剛石晶體將成為這樣的候選者。我們測(cè)量其超聲波彈性的嘗試將是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的首次嘗試。然而，需要更多的工作來(lái)了解如何在這種壓力條件下獲得彈性特性，以及金剛石的熱彈性作為溫度和壓力組合的函數(shù)。
       研究意義
金剛石的非凡硬度使其成為用于壓縮和機(jī)械加工的無(wú)與倫比的材料。出于同樣的原因，壓縮金剛石并測(cè)量其高壓、彈性特性是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。結(jié)合超聲干涉測(cè)量和多面砧壓機(jī)，我們將金剛石彈性的研究前沿從千巴壓力擴(kuò)展到千兆帕壓力，表明金剛石的可壓縮性越來(lái)越強(qiáng)，與理論一致。研究結(jié)果還指出了金剛石在提供高達(dá)TPa區(qū)域的準(zhǔn)確絕對(duì)壓力標(biāo)準(zhǔn)方面的獨(dú)特潛力，這將成為廣泛的高壓科學(xué)的基礎(chǔ)。