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钻石成为新材料的垫脚石

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发表于 2019-7-13 15:56:11 | 显示全部楼层 |阅读模式


阿拉巴马大学伯明翰分校的物理学家们已经迈出了五年的第一步,努力创造出新的化合物,在耐热性方面超过钻石,在硬度上几乎与钻石匹敌。

他们得到了一项为期5年、价值2000万美元的国家科学基金会奖的支持,该奖项用于创造新材料,并利用物质等离子体的第四种状态改进技术。

与物质、固体、液体和气体的其他三种状态不同,等离子体并不在地球上自然存在。这种电离的气体物质可以通过加热中性的气体来制造。在实验室里,UAB物理系的教授和大学学者Yogesh Vohra用等离子体制作了薄膜。这样的薄膜有许多潜在的用途,例如涂层使人工关节持久耐用或保持切削工具的锋利,为极端环境开发传感器或制造新的超硬材料。

为了制作一个钻石薄膜,Vohra和他的同事们将混合气体送入真空室,用微波加热,从而产生等离子体。室内的低压相当于地球表面14英里的大气。四小时后,蒸汽在其目标上沉积了一层薄薄的金刚石膜。

在《材料》杂志的一篇论文中,Vohra和UAB艺术与科学学院的同事们研究了如何添加硼,同时制作钻石薄膜,改变了钻石材料的性质。

人们已经知道,如果气体是甲烷和氢的混合物,研究人员就会得到一种微晶金刚石膜,由许多微小的钻石晶体组成,平均大小约为800纳米。如果将氮添加到这种气体混合物中,研究人员就会得到纳米结构的钻石,由极小的钻石晶体组成,平均只有60纳米大小。

在目前的研究中,Vohra团队添加硼,乙硼烷的形式,或B2H6氢/甲烷/氮原料气和发现令人惊讶的结果。金刚石薄膜的晶粒尺寸从60-nanometer突然增加,纳米大小与氢/甲烷/氮原料气800纳米,微晶尺寸。此外,这种变化发生在只有微量的二硼烷的情况下,在等离子体中只有170 ppm。

Vohra的研究小组使用光学发射光谱技术,在饲料中改变了二硼烷的含量,发现二硼烷可以减少血浆中碳-氮自由基的含量。因此,Vohra说:“我们的研究清楚地确定了碳氮物种在合成纳米结构钻石和抑制碳氮物种中所起的作用,并将硼加入到等离子体中。”

由于硼的加入也可以将金刚石薄膜从非导体变成半导体,UAB的结果为各种应用提供了金刚石薄膜晶粒尺寸和电学性能的新控制。

在接下来的几年里,Vohra和他的同事们将研究微波等离子体化学气相沉积法在硼碳化物、硼氮化硼和碳硼氮化合物薄膜上的应用,寻找比钻石更耐热的化合物,并具有钻石般的硬度。在氧气存在的情况下,钻石的燃烧温度约为1100华氏度。

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