您是否知道目前99%的合成钻石是采用高压高温(HPHT)方法生产的?一种流行的范例是，钻石只能在“吉帕斯卡压力范围”(通常为5-6GPa，其中1GPa约为10,000个大气压)下使用液态金属催化剂生长，并且通常在1,300–1,600°C的温度范围内生长。
然而，由于所涉及的成分，使用高温高压生产的钻石的尺寸始终限制在大约一立方厘米。也就是说，只有在相对较小的长度范围内才能实现如此高的压力。发现在较温和的条件下(特别是在较低的压力下)在液态金属中制造钻石的替代方法是一项有趣的基础科学挑战，如果实现了这一挑战，可能会彻底改变钻石的制造。流行的范式会受到挑战吗?
由基础科学研究所(IBS)内的多维碳材料中心(CMCM)主任RodRUOFF领导的研究小组，包括蔚山国家科学技术研究所(UNIST)的研究生，在一定条件下培育了钻石使用由镓、铁、镍和硅组成的液态金属合金在1个大气压和1,025°C下进行，从而打破了现有范例。该研究发表在《自然》杂志上。
这种新生长方法的发现为进一步的基础科学研究和以新方式扩大钻石生长提供了许多可能性。
兼任UNIST杰出教授的鲁夫主任表示：“这一开创性突破是人类聪明才智、不懈努力以及众多合作者通力合作的结果。”
Ruoff领导的研究人员进行了一系列实验，涉及数百次参数调整和各种实验方法，最终成功使用“自制”冷壁真空系统生长钻石。
Ruoff补充道：“我们一直在一个大室(名为RSR-A，内部容积为100升)中进行参数研究，由于需要时间抽出空气，我们对促进金刚石生长的参数的搜索速度放慢了(约3分钟)，用惰性气体吹扫(90分钟)，然后再次抽真空至真空水平(3分钟)，以便腔室可以充满1个大气压的相当纯的氢气/甲烷混合物(再次90分钟));距离实验开始还有3个多小时!
“我要求WonKyungSeong博士设计并建造一个更小的室，以大大减少开始(和完成)液态金属暴露于甲烷和氢气混合物中的实验所需的时间。”
Seong补充道：“我们的新型自制系统(名为RSR-S，内部容积仅为9升)可以在15分钟的总时间内抽出、吹扫、抽出并填充甲烷/氢气混合物。参数研究大大加速，这帮助我们发现了金刚石在液态金属中生长的参数!”
研究小组发现，当在1个大气压下暴露于甲烷和氢气时，金刚石会在由77.75/11.00/11.00/0.25的镓/镍/铁/硅混合物(原子百分比)组成的液态金属合金的亚表面中生长。〜1,025°C。
UNIST研究生兼第一作者YanKong解释说：“有一天，当我使用RSR-S系统进行实验，然后冷却石墨坩埚以凝固液态金属，并取出凝固的液态金属片时，我注意到“彩虹图案”在这件作品的底部表面上蔓延了几毫米，我们发现彩虹的颜色是由钻石造成的!这使我们能够确定有利于钻石可重复生长的参数。”
初始形成不需要传统HPHT和化学气相沉积合成方法中常用的金刚石或其他种子颗粒。一旦形成，金刚石颗粒会合并形成薄膜，该薄膜可以轻松分离并转移到其他基材上，以供进一步研究和潜在应用。
同步加速器二维X射线衍射测量证实合成的金刚石薄膜具有非常高的金刚石相纯度。另一个有趣的方面是金刚石结构中存在硅空位色心，在使用532nm激光激发的光致发光光谱中发现了738.5nm处的强烈零声子线。
合著者MeihuiWang博士说：“这种具有硅空位色心的合成钻石可能会在磁传感和量子计算中得到应用。”
研究小组深入研究了钻石在这些新条件下成核和生长的可能机制。样品横截面的高分辨率透射电子显微镜(TEM)成像显示，在直接与钻石接触的凝固液态金属中存在约30-40nm厚的非晶地下区域。
合著者MyeonggiChoe博士表示：“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。”
Ruoff补充道：“在富镓合金中‘溶解’如此高浓度的碳可能是出乎意料的，因为据报道碳不溶于镓。这可以解释为什么这个区域是非晶态的，而所有其他区域都是非晶态的。”凝固的液态金属是结晶的，这个地下区域是我们的钻石成核和生长的地方，因此我们关注它。”
研究人员将Ga-Fe-Ni-Si液态金属短时间暴露在甲烷/氢气中，试图了解早期生长阶段——远在连续金刚石薄膜形成之前。然后，他们使用飞行时间二次离子质谱深度剖析分析了地下区域的碳浓度。
运行10分钟后，没有明显的钻石颗粒，但在钻石通常生长的区域存在约65at%的碳原子。运行15分钟后开始发现金刚石颗粒，并且地下C原子浓度较低，约为27at%。
Ruoff说：“在10分钟左右，地下碳原子的浓度非常高，以至于这次暴露接近或处于过饱和状态，导致钻石在10分钟或10到15分钟之间的某个时间成核。钻石的生长预计粒子在成核后会非常迅速地出现，大约在10分钟到15分钟之间。”
液态金属中27个不同位置的温度是通过生长室的附件测量的，该附件具有由Seong设计和建造的九个热电偶阵列。研究发现，与腔室的角落和侧面相比，液态金属的中心区域温度较低。人们认为这种温度梯度是推动碳向中心区域扩散的原因，有利于钻石的生长。
研究小组还发现，硅在钻石的新生长过程中发挥着关键作用。随着合金中硅浓度从最佳值增加，生长的金刚石的尺寸变得更小，密度更高。如果不添加硅，金刚石根本无法生长，这表明硅可能参与了金刚石的初始成核。
这一观点得到了各种理论计算的支持，这些理论计算旨在揭示可能导致这种新液态金属环境中钻石生长的因素。研究人员发现，硅主要通过形成像碳一样的sp3键来促进某些碳簇的形成和稳定。人们认为，含有硅原子的小碳簇可能充当“前核”，然后它可以进一步生长以使钻石成核。据预测，初始核的可能尺寸范围约为20至50个C原子。
Ruoff说：“我们在这种液态金属中发现了金刚石的成核和生长，这是令人着迷的，并且为更多基础科学提供了许多令人兴奋的机会。我们现在正在探索‘何时’发生成核，以及随后金刚石的快速生长。”“温度下降”实验中，我们首先实现碳和其他所需元素的过饱和，然后迅速降低温度以引发成核——这些研究对我们来说似乎很有希望。”
该团队发现他们的生长方法为液态金属的成分提供了显着的灵活性。研究员DaLuo博士表示：“我们的优化生长是使用镓/镍/铁/硅液态合金实现的。然而，我们还发现，通过用钴代替镍或用镓代替镓，可以生长出高质量的金刚石。-铟混合物。”
Ruoff总结道：“金刚石可以在各种熔点相对较低的液态金属合金中生长，例如含有一种或多种铟、锡、铅、铋、镓以及潜在的锑和碲，并且在熔融合金中还包括其他元素。锰、铁、镍、钴等元素作为催化剂，其他元素作为产生色心的掺杂剂，除了甲烷(各种气体，还有固体碳)之外，还有各种各样的碳前体。
“将碳原子和/或小碳簇引入液态金属以促进钻石生长的新设计和方法肯定很重要，根据我们的发现，我认为全球研究界的创造力和技术独创性可能会迅速引领还有许多有趣的途径值得探索!”
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