燕山大学成功合成迄今最硬最强的非晶材料
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燕山大学成功合成迄今最硬最强的非晶材料

2021年08月14日 14:35:08
来源:观察者网

8月13日,燕山大学亚稳材料制备技术与科学实验室消息称,燕山大学在新型非晶碳材料研究方面取得重要进展。

近日,由燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室高压科学中心田永君院士课题组赵智胜等人与国内外科学家合作,在新型非晶碳材料研究方面取得重要进展。研究成果以“Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material”为题,在2021年8月5日的《National Science Review》上在线发表。

(A)非晶碳的硬度;(B)与其他非晶材料的硬度对比;(C)用AM-III非晶碳刻划金刚石(001)面留下的划痕

碳是构成有机生命体的基础元素,对人类的生存、日常生活和物质生产均发挥着不可或缺的独特作用。碳具有多种同素异形体,目前已知的有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔等。这些碳同素异形体展现出了非常独特的物理化学特性,它们的出现极大地推动了科技的发展。一直以来,人们探索新型碳材料的脚步从未停止过。

在本研究中,他们采用富勒烯C60在高温高压下截获了一种sp2-sp3混合杂化的新型非晶碳(AM-III)材料。这种非晶碳内部的sp3成分高达94 %,结构中的无序单元平均尺寸约为4 Å,衍射信息表明其结构主要由类金刚石四面体无序连接构成,没有类石墨的组织结构,与前人报道过的非晶碳结构明显不同。

AM-III的密度高达3.30 g/cm3,与金刚石相当;其维氏硬度HV高达113 GPa,努氏硬度为72 GPa,可刻划单晶金刚石的(001)面(HV=103 GPa);其纳米压痕硬度为103 GPa,高于文献报道的类金刚石非晶碳薄膜(ta-C)的最高硬度值;其微米尺度柱体的压缩强度高达70 GPa,与金刚石相媲美。因此,这是迄今为止发现的最硬、最强的非晶材料。此外,这种非晶碳是一类光学透明的半导体材料,带隙介于1.5-2.2 eV之间,与最常用的半导体非晶硅(a-Si:H)薄膜的带隙相当,在光伏领域具有潜在的应用前景。该成果已获得中国发明专利(专利号:ZL201910085279.0)和日本专利(专利号:JP2020-009244)授权。

该成果得到了国家自然科学基金项目 (52090020、51722209、51672238、91963203、52025026、51525205、U20A20238)和国家重点研发计划项目 (2018YFA0703400)的资助。