Afled egenskaberne ved en ny form for diamant

Tidligere i år, amorf diamant blev syntetiseret for første gang ved hjælp af en teknik, der involverede høje tryk, moderat høje temperaturer og en lille mængde glasartet kulstof som udgangsmateriale. Et far-søn-team ved Clemson University har nu med succes beregnet et antal grundlæggende fysiske egenskaber for dette nye stof, herunder elastiske konstanter og relaterede mængder. Resultaterne rapporteres i denne uge i Anvendt fysik bogstaver .

Diamant er en form for rent kulstof, hvor atomerne er arrangeret i et krystalgitter, med hvert carbonatom omgivet af fire andre carbonatomer i hjørnerne af et tetraeder. Carbon-carbon-bindingerne i diamant er kendt som sp3-bindinger. Det velordnede arrangement af tetraedriske strukturer, som gentages over lange afstande i en diamantkrystal, producerer et hårdt materiale med høj temperaturstabilitet. Diamant er således både en værdifuld ædelsten og et materiale med forskellige teknologiske anvendelser.

Amorft kulstof, på den anden side, har varierende fraktioner af sp3-bundet carbon i et uordnet, eller amorf, matrix. Den amorfe struktur giver meget ønskelige mekaniske egenskaber. Mængden af ​​sp3-binding i amorft kulstof er ikke så høj som i ren diamant. En brøkdel af carbon-carbon-bindingerne er af sp2-typen, findes i andre kulstofformer såsom grafit.

Sp3-bundet amorft silicium og germanium har været kendt i mange år og er meget udbredt i solceller, tyndfilmssensorer og transistorer, og andre højteknologiske applikationer. Det er af stor interesse, derefter, at finde måder at lave amorf diamant, der bevarer en høj brøkdel af sp3 -bindinger. Mens arbejdet rapporteret tidligere på året gjorde netop det, prøver er endnu ikke bredt tilgængelige til test. Foreløbige test viste, at disse amorfe diamanter er ret tætte, optisk gennemsigtig og stærk.

Fader-søn-teamet til Arthur og John Ballato er trådt ind i dette vidensgab for at beregne nogle endnu ikke målte fysiske egenskaber for denne nye form for diamant. "Vi anvendte en modelleringsmetode, hvorved man kan bruge egenskaberne af krystallinsk diamant til at udlede egenskaberne af den glasagtige diamantanalog, "sagde Ballato." I dette arbejde, vi udled de elastiske egenskaber ved denne nye diamantfase ud fra målte egenskaber for krystallinsk diamant. "

Den procedure, de anvendte, involverer en computermodel af en krystal, der er beregningsmæssigt homogeniseret til at skabe en amorf version af stoffet. Modellen af ​​krystallen bruger enkel, klassisk fysik og beskriver kulstof-kulstofbindinger som fjedre. Den anvendte homogeniseringsmetode er kendt som Voigt-Reuss-Hill (VRH) teknikken.

Ved hjælp af denne tilgang, Ballatos beregnede en række vigtige bulkegenskaber, herunder Youngs modul, Poissons forhold og andre elastiske konstanter for stoffet. De brugte VRH -homogeniseringsmetoden i tidligere arbejde til at studere glasagtig safir og materialer af interesse til brug i højeffektlasere. VRH-metoden er enklere og mere ligetil end sofistikerede kvantemekaniske metoder, der også er tilgængelige, men egenskaberne beregnet i dette arbejde kan tjene som en baseline, både for mere sofistikeret, men dyr modellering, samt til fremtidige eksperimentelle målinger.