Forskere udvikler et nyt flydende metallegeringssystem til at syntetisere diamant under moderate forhold

Vidste du, at 99 % af de syntetiske diamanter i øjeblikket produceres ved hjælp af højtryks- og højtemperaturmetoder (HPHT)? Et fremherskende paradigme er, at diamanter kun kan dyrkes ved hjælp af flydende metalkatalysatorer i "gigapascal trykområdet" (typisk 5-6 GPa, hvor 1 GPa er omkring 10.000 atm), og typisk inden for temperaturområdet 1.300-1.600°C.

Diamanter fremstillet ved hjælp af HPHT er dog altid begrænset til størrelser på cirka en kubikcentimeter på grund af de involverede komponenter. Det vil sige - at opnå så høje tryk kan kun ske i en relativt lille længdeskala. At opdage alternative metoder til at fremstille diamanter i flydende metal under mildere forhold (især ved lavere tryk) er en spændende grundlæggende videnskabelig udfordring, som hvis den opnås, kan revolutionere diamantfremstillingen. Kunne det herskende paradigme udfordres?

Et team af forskere ledet af direktør Rod RUOFF ved Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) inden for Institute for Basic Science (IBS), herunder kandidatstuderende ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), har dyrket diamanter under betingelser på 1 atmosfæres tryk og ved 1.025°C ved hjælp af en flydende metallegering sammensat af gallium, jern, nikkel og silicium, hvilket bryder det eksisterende paradigme. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nature .

Opdagelsen af ​​denne nye vækstmetode åbner mange muligheder for yderligere grundlæggende videnskabelige studier og for at opskalere væksten af ​​diamanter på nye måder.

Direktør Ruoff, som også er UNIST Distinguished Professor, siger:"Dette banebrydende gennembrud var resultatet af menneskelig opfindsomhed, utrættelig indsats og det samordnede samarbejde mellem mange samarbejdspartnere."

Forskere ledet af Ruoff udførte en række eksperimenter, der involverede flere hundrede parameterjusteringer og en række eksperimentelle tilgange, før det endelig lykkedes dem at dyrke diamanter ved hjælp af et 'hjemmebygget' koldvægs-vakuumsystem.

Ruoff tilføjer, "Vi havde kørt vores parametriske undersøgelser i et stort kammer (kaldet RSR-A med et indre volumen på 100 liter), og vores søgen efter parametre, der ville give diamantvækst, blev bremset på grund af den tid, der var nødvendig for at pumpe luft ud. (ca. 3 minutter), skyl med inert gas (90 minutter), efterfulgt af nedpumpning igen til vakuumniveau (3 minutter), så kammeret derefter kunne fyldes med 1 atmosfæres tryk af ganske ren hydrogen/methan-blanding (igen 90 minutter) ); det er mere end 3 timer før eksperimentet kunne startes!

"Jeg bad Dr. Won Kyung Seong om at designe og bygge et meget mindre kammer for i høj grad at reducere den tid, det tager at starte (og afslutte) eksperimentet med det flydende metal udsat for blandingen af ​​metan og brint."

Seong tilføjer:"Vores nye hjemmebyggede system (navngivet RSR-S, med en indvendig volumen på kun 9 liter) kan pumpes ud, renses, pumpes ud og fyldes med metan/brint-blanding i en samlet tid på 15 minutter. Parametrisk undersøgelser blev stærkt fremskyndet, og dette hjalp os med at opdage de parametre, for hvilke diamant vokser i det flydende metal!"

Holdet opdagede, at diamant vokser i undergrunden af ​​en flydende metallegering bestående af en 77,75/11,00/11,00/0,25 blanding (atomare procenter) af gallium/nikkel/jern/silicium, når den udsættes for metan og brint under 1 atm tryk ved ~1.025°C.

Yan Gong, UNIST-kandidatstuderende og førsteforfatter, forklarer:"En dag med RSR-S-systemet, da jeg kørte eksperimentet og derefter kølede grafitdigelen ned for at størkne det flydende metal, og fjernede det størknede flydende metalstykke, bemærkede jeg en 'regnbuemønster' spredt over et par millimeter på bunden af ​​dette stykke Vi fandt ud af, at regnbuefarverne skyldes diamanter. Dette gjorde det muligt for os at identificere parametre, der favoriserede diamantens reproducerbare vækst

Den indledende dannelse sker uden behov for diamant- eller andre frøpartikler, der almindeligvis anvendes i konventionelle HPHT- og kemiske dampaflejringssyntesemetoder. Når de er dannet, smelter diamantpartiklerne sammen og danner en film, som let kan løsnes og overføres til andre substrater til yderligere undersøgelser og potentielle anvendelser.

Synkrotronens todimensionelle røntgendiffraktionsmålinger bekræftede, at den syntetiserede diamantfilm har en meget høj renhed af diamantfasen. Et andet spændende aspekt er tilstedeværelsen af ​​silicium-tomgangsfarvecentre i diamantstrukturen, da der blev fundet en intens nul-fonon linje ved 738,5 nm i fotoluminescensspektret exciteret ved brug af en 532 nm laser.

Medforfatter Dr. Meihui Wang siger:"Denne syntetiserede diamant med farvecentre med silicium ledige pladser kan finde anvendelse i magnetisk sansning og kvanteberegning."

Forskerholdet dykkede dybt ned i mulige mekanismer for diamanter til at danne kerne og vokse under disse nye forhold. Højopløsningstransmissionselektronmikroskop (TEM) billeddannelse på tværsnit af prøverne viste omkring 30-40 nm tykt amorft undergrundsområde i det størknede flydende metal, der var direkte i kontakt med diamanterne.

Medforfatter Dr. Myeonggi Choe siger:"Omtrent 27 procent af atomerne, der var til stede på den øverste overflade af denne amorfe region, var kulstofatomer, hvor kulstofkoncentrationen faldt med dybden."

Ruoff tilføjer:"Tilstedeværelsen af ​​en så høj koncentration af kulstof 'opløst' i en gallium-rig legering kunne være uventet, da kulstof rapporteres at være uopløseligt i gallium. Dette kan forklare, hvorfor denne region er amorf - mens alle andre regioner af det størknede flydende metal er krystallinsk Denne underjordiske region er, hvor vores diamanter kerne og vokser, og vi fokuserede derfor på det."

Forskere udsatte Ga-Fe-Ni-Si flydende metal for metan/brint i korte perioder for at forsøge at forstå det tidlige vækststadium - længe før dannelsen af ​​en kontinuerlig diamantfilm. De analyserede derefter koncentrationerne af kulstof i underjordiske regioner ved hjælp af time-of-flight sekundær ion massespektrometri dybdeprofilering.

Efter en 10-minutters kørsel var der ingen diamantpartikler, men der var ~65 at% carbonatomer til stede i det område, hvor diamanten typisk vokser. Diamantpartikler begyndte at blive fundet efter en 15-minutters kørsel, og der var en lavere C-atomkoncentration under overfladen på ~27 at %.

Ruoff siger:"Koncentrationen af ​​kulstofatomer under overfladen er så høj ved omkring 10 minutter, at eksponeringen denne gang er tæt på eller ved overmætning, hvilket fører til kernedannelse af diamanter enten efter 10 minutter eller engang mellem 10 og 15 minutter. Væksten af ​​diamant partikler forventes at forekomme meget hurtigt efter kernedannelse, på et tidspunkt mellem ca. 10 minutter og 15 minutter."

Temperaturen på 27 forskellige steder i det flydende metal blev målt med en fastgørelse til vækstkammeret med en række af ni termoelementer, der blev designet og bygget af Seong. Den centrale region af det flydende metal viste sig at have en lavere temperatur sammenlignet med hjørnerne og siderne af kammeret. Det menes, at denne temperaturgradient er det, der driver kulstofdiffusion mod den centrale region, hvilket letter diamantvækst.

Holdet opdagede også, at silicium spiller en afgørende rolle i denne nye vækst af diamant. Størrelsen af ​​de dyrkede diamanter bliver mindre og deres densitet højere, da koncentrationen af ​​silicium i legeringen blev øget fra den optimale værdi. Diamanter kunne slet ikke dyrkes uden tilsætning af silicium, hvilket tyder på, at silicium kan være involveret i den indledende kernedannelse af diamant.

Dette blev understøttet af de forskellige teoretiske beregninger udført for at afdække de faktorer, der kan være ansvarlige for væksten af ​​diamanter i dette nye flydende metalmiljø. Forskere fandt ud af, at silicium fremmer dannelsen og stabiliseringen af ​​visse kulstofklynger ved overvejende at danne sp ³ bindinger som kulstof. Det menes, at små kulstofklynger, der indeholder Si-atomer, kan tjene som "præ-kerner", som derefter kan vokse yderligere for at danne en diamant. Det forudsiges, at det sandsynlige størrelsesområde for en initial kerne er omkring 20 til 50 C-atomer.

Ruoff siger, "Vores opdagelse af kernedannelse og vækst af diamant i dette flydende metal er fascinerende og tilbyder mange spændende muligheder for mere grundlæggende videnskab. Vi undersøger nu 'hvornår' kernedannelse, og dermed den hurtige efterfølgende vækst af diamant, sker. temperaturfaldseksperimenter, hvor vi først opnår overmætning af kulstof og andre nødvendige elementer, efterfulgt af hurtigt at sænke temperaturen for at udløse kernedannelse - er nogle undersøgelser, der virker lovende for os."

Holdet opdagede, at deres vækstmetode giver betydelig fleksibilitet i sammensætningen af ​​flydende metaller. Forsker Dr. Da Luo siger, "Vores optimerede vækst blev opnået ved hjælp af gallium/nikkel/jern/silicium flydende legering. Men vi fandt også ud af, at højkvalitets diamant kan dyrkes ved at erstatte nikkel med kobolt eller ved at erstatte gallium med et gallium -indiumblanding."

Ruoff konkluderer, "Diamant kan dyrkes i en lang række flydende metallegeringer med relativt lavt smeltepunkt, såsom indeholdende en eller flere af indium, tin, bly, vismut, gallium og potentielt antimon og tellur - og inkluderet i den smeltede legering andre grundstoffer som mangan, jern, nikkel, kobolt og så videre som katalysatorer og andre som dopingmidler, der giver farvecentre. Og der er en bred vifte af kulstofprækursorer til rådighed udover metan (forskellige gasser og også faste kulstoffer).

"Nye designs og metoder til at introducere kulstofatomer og/eller små kulstofklynger i flydende metaller til diamantvækst vil helt sikkert være vigtige, og kreativiteten og den tekniske opfindsomhed i det verdensomspændende forskningssamfund forekommer mig sandsynligt, baseret på vores opdagelse, til hurtigt at lede til andre relaterede tilgange og eksperimentelle konfigurationer. Der er adskillige spændende veje at udforske!"

Flere oplysninger: Yan Gong, Vækst af diamant i flydende metal ved 1 atm tryk, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07339-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07339-7

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Institute for Basic Science