韓團隊改善人造鑽石製造技術 毋需常規巨大壓力

「鑽石恆久遠一顆永流傳」,多年來我們都視從地底開採的鑽石為珍貴礦物,但近年已有不同科學方法製造出「合成鑽石」,令鑽石價格變得相宜。最新刊於《自然》的研究更指,已找到一種無需高壓即可製造合成鑽石的新方法。

雖然這種方法產生的鑽石晶體直徑不超過100 納米,但團隊相信方法最終能製造更大的鑽石晶體和薄膜,用於電子和光學設備。

鑽石當中的碳原子以金字塔形排列並緊密結合,形成極高硬度和抗輻射性,以及以無與倫比的速率導熱和導電能力。因此鑽石在量子電腦和磁性感測器、高功率電子設備、輻射探測器和雷射工具上相當重要。

天然鑽石是於地表以下數百公里的地函 (mantle) 中,受巨大壓力和熾熱溫度下所形成。過往,工程師一直希望能透過重現這些條件來製造合成鑽石,而現時最常見的方法是在近 60,000 倍大氣氣壓和高達 1,600°C 的溫度下重塑碳分子,但過程需要昂貴的設備。

多年前,南韓基礎科學研究所材料科學家 Rodney Ruoff 開始注意到極端條件可能不重要的線索。例如,2017 年一份日本研究稱,當液態鎵 (gallium) 置於甲烷氣體時,甲烷中的碳原子溶解在鎵中,並結合成固體片狀石墨烯層。 Ruoff 指,團隊認為,如果能找到合適的條件,這種方法可能會產生鑽石,所以他們一直進行測試。

是次團隊最初將鑽石碎放在矽晶圓片上,並添加液態鎵和其他液態金屬的液滴,然後將混合物置於甲烷或其他含碳氣體中。 Ruoff 指,他們的希望是氣體中的碳會擴散到鎵中並與鑽石晶種結合,組合成更大的晶體。

最初,矽晶圓片頂層有一層厚厚的二氧化矽似乎阻止了鑽石的生長。但在實驗中,液態鎵流過矽晶圓片邊緣,溶解了一些暴露的純矽,而最終鎵硬化時有一系列微小的鑽石晶體出現。

團隊其後改進方法,將液態鎵、鐵、鎳和矽混合加熱至 1,025°C ,並置於甲烷和氫氣中。方法並不需要晶種或額外的壓力。這些金屬會溶解氣體中的碳,而矽亦似乎是過程中的關鍵,以某種方式幫助碳原子在鑽石的金字塔排列中互相結合。

對於未來的應用,現在最大的問題是該技術能推進到甚麼程度。 Ruoff 的團隊已經以該方法來製造由數千個緊密排列的微小晶體造成的鑽石薄膜。種薄膜已可透過稱為化學氣相沉積 (chemical vapor deposition) 的成熟技術在低壓下製造,但當中需要較昂貴的半導體製造設備。多層晶體的薄膜也會降低電子產品的性能,所以團隊希望技術最終能生產出由單層純鑽石組成的薄膜。

來源:

Science, Diamonds grown without extreme pressures

報告:

Gong, Y., Luo, D., Choe, M. & et al. (2024). Growth of diamond in liquid metal at 1 atm pressure. Nature. doi: 10.1038/s41586-024-07339-7

文/AC

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