研究人员发现了新的碳相，在室温下制造金刚石

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杰纳 j_narayan@ncsu.edu 919.515.7874

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

北卡罗莱纳州立大学的研究人员发现了固体碳的一种新相，称为q -碳，它与石墨和金刚石的已知相不同。他们还开发了一种技术，利用q -碳在室温和大气压下在空气中制造与钻石相关的结构。

相是同一物质的不同形式。石墨是碳的固相之一;钻石是另一个。

“我们现在创造了第三个碳的固体阶段，”John C.凡德尊敬的材料科学与工程举办董事教授Jay Narayan说，NC州科学和工程师的三篇论文的领导作者描述了这项工作。“在自然界中可能被发现的唯一地方可能是一些行星的核心。”

q -碳有一些不寻常的特性。首先，它是铁磁性的，而其他固态碳则没有铁磁性。

“我们甚至没有想到这一点，”Narayan说。

此外，q -碳比钻石更硬，即使暴露在低能量下也会发光。

“Q碳的力量和低的工作功能 - 它释放电子的意愿 - 使其非常有前途开发新的电子显示技术，”Narayan说。

但q -碳也可以用来制造各种单晶钻石物体。要理解这一点，你必须理解q -碳的生成过程。

研究人员从基质开始，如蓝宝石、玻璃或塑料聚合物。然后在基底上涂上无定形碳——元素碳，与石墨或金刚石不同，它没有规则的、明确的晶体结构。然后用一个持续约200纳秒的激光脉冲撞击碳。在这个脉冲中，碳的温度被提高到4000开尔文(或大约3727摄氏度)，然后迅速冷却。这个操作在一个大气压下进行——与周围空气的压力相同。

最终的结果是q -碳薄膜，研究人员可以控制制作20纳米到500纳米厚的薄膜的过程。

通过使用不同的衬底和改变激光脉冲的持续时间，研究人员还可以控制碳冷却的速度。通过改变冷却速率，他们能够在q -碳中创造出钻石结构。

纳拉扬说:“我们可以制造金刚石纳米针或微针、纳米点或大面积金刚石薄膜，应用于药物输送、工业过程以及制造高温开关和电力电子设备。”“这些钻石具有单晶结构，使它们比多晶材料更坚固。这一切都是在室温和环境大气中完成的我们基本上使用的是激光眼科手术用的那种激光。因此，这不仅使我们能够开发新的应用，而且这个过程本身也相对便宜。”

而且，如果研究人员想要将更多的q -碳转化为钻石，他们可以简单地重复激光脉冲/冷却过程。

如果q -碳比钻石硬，为什么有人想要制造钻石纳米点而不是q -碳纳米点呢?因为关于这种新材料，我们还有很多东西要学。

纳拉扬说:“我们可以制作q -碳薄膜，我们正在了解它的特性，但我们仍处于了解如何操纵它的早期阶段。”“我们对钻石了解很多，所以我们可以制造钻石纳米点。我们还不知道如何制造q -碳纳米点或微针。这是我们正在努力的事情。”

北卡罗来纳州已经申请了两项q -碳和钻石制造技术的临时专利。

两篇论文对这项工作进行了描述，这两篇论文都是由北卡罗来纳州立大学博士生Anagh baumik共同撰写的。”碳，铁磁性和转换成钻石的新阶段，于12月2日在线发表应用物理学杂志．”无定形碳在环境压力和温度下在空气中直接转化成金刚石发表在10月7日的杂志上APL材料．这项工作得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的部分支持，资助号为DMR-1304607。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

碳、铁磁与金刚石转化的新相

作者: Jagdish Narayan和Anagh baumik，北卡罗莱纳州立大学

发表: 11月30日应用物理学杂志

DOI：10.1063 / 1.4936595

文摘:我们报告了碳的新相(称为q -碳)的发现，并解决了与碳在环境温度和压力下在空气中直接转化为金刚石有关的基本问题，而不需要任何催化剂和氢的存在。q -碳是利用高功率纳秒激光脉冲从过冷态淬火形成的。我们讨论了碳的平衡相图(P vs. T)，并表明在大气压力下，通过快速淬火动力学，可以使石墨/金刚石/液态碳的热力学三相点由5000K/12GPa转变为过冷碳。结果表明，在蓝宝石、玻璃和聚合物衬底上的类金刚石非晶碳的纳秒激光加热可以限制在超过冷状态下熔化碳。通过对超过冷态的碳进行淬火，我们创造了一种新的碳态(q -碳)，根据形成金刚石的成核和生长时间，可以形成纳米金刚石、微金刚石、微针和薄膜。液态淬火q -碳是一种比非晶碳质量密度更高的新型固体碳，主要是四倍sp的混合物^3.(75-85%)和其余的三倍sp2键碳(具有明显的熵)。它有望具有新的和改进的机械硬度，电导率，化学和物理性能，包括室温铁磁性(RTFM)和增强的场发射。在这里，我们提出了有趣的结果，在RTFM，增强电导率和表面电势q -碳强调其独特的性质。q -碳具有较强的体铁磁性，估计居里温度约为500K，饱和磁化值为20 emu g^－1．从q -碳，金刚石相成核和各种微和纳米结构，并允许生长所需的时间大面积单晶金刚石片。后续的激光脉冲可以用来将纳米金刚石生长成微金刚石，并在现有的微金刚石上使金刚石的其他纳米结构成核，从而产生新的纳米结构材料。微观结构细节为纳米金刚石和微金刚石的形成机制提供了深入的见解。这一过程允许碳到金刚石的转换和形成有用的纳米结构和微结构，在环境温度下，在空气中，在大气压力下，在实际的热敏基底上，以可控的方式，而不需要任何催化剂和氢来稳定sp^3.形成金刚石的键合。

在空气中大气压和温度下非晶态碳直接转化为金刚石

作者: Jagdish Narayan和Anagh baumik，北卡罗莱纳州立大学

发表: 10月7日,APL材料

DOI: 10.1063/1.4932622

文摘:我们报道了在室温和大气压力下用纳秒激光照射非晶碳薄膜，使非晶碳转化为金刚石的基本发现。我们可以以纳米金刚石(尺寸范围<100 nm)和微金刚石(>100 nm)的形式制造金刚石。纳秒激光脉冲用于熔化无定形类金刚石碳，并产生高度过冷态，在冷却时可以形成各种形式的金刚石。超过冷态的淬火导致纳米金刚石的形核。研究发现，微金刚石是从碳的高度过冷态中生长出来的，纳米金刚石作为种子晶体。