在材料科學(xué)領(lǐng)域，一種全新的共價(jià)金剛石-石墨材料引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。這種材料不僅結(jié)合了金剛石和石墨的卓越性能，如超硬、極韌和導(dǎo)電性，還在超硬材料和電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的研究和發(fā)展?jié)摿?。近日，中?guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心的研究團(tuán)隊(duì)在離子體化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)上取得突破，成功制備出這一新材料，并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理和電子性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。

       金剛石和石墨作為碳的同素異形體，一直以其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)受到科學(xué)界的青睞。然而，由于金剛石-石墨共價(jià)界面能高，傳統(tǒng)的制備方法主要依賴(lài)于高溫高壓條件。這種限制不僅增加了制備難度，也限制了材料性能的優(yōu)化。

       黃楠研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，在等離子體CVD技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的限域陶瓷樣品臺(tái)，成功將等離子體電子密度提升至原來(lái)的2.7倍，為活化碳原子并促進(jìn)其與金剛石以石墨形式共價(jià)連接提供了充足的能量。透射電子顯微鏡觀(guān)察結(jié)果顯示，金剛石和石墨的特定晶面以特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了共價(jià)連接，這一界面結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)高溫高壓方法制備的共價(jià)金剛石-石墨界面存在顯著差異。

       進(jìn)一步的電子能量損失譜分析表明，界面處石墨的電子密度增加，顯示出sp2/sp3碳混合雜化特征，這意味著金剛石和石墨在共價(jià)鍵界面上形成了強(qiáng)相互作用。通過(guò)第一性原理計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)揭示了這種強(qiáng)相互作用界面如何影響電子的轉(zhuǎn)移和分布，進(jìn)而改變了界面碳的電子性質(zhì)，導(dǎo)致石墨在Fermi能級(jí)附近的態(tài)密度異常增加，并在金剛石的導(dǎo)帶底引入局域能級(jí)。

       這一研究不僅揭示了共價(jià)金剛石-石墨材料的生長(zhǎng)機(jī)理，還展示了如何通過(guò)精確控制制備過(guò)程來(lái)調(diào)制材料的電子性質(zhì)。研究成果以《Covalently-bonded diaphite nanoplatelet with engineered electronic properties of diamond》為題，發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》上，并獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金等機(jī)構(gòu)的資助。

       業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示，這一突破性的研究不僅為金剛石電子器件的開(kāi)發(fā)提供了新的思路，也為未來(lái)材料科學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向。隨著研究的深入，這種新型共價(jià)金剛石-石墨材料有望在超硬材料、電子器件、能源存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401949?af=R