來源｜鄭州大學、學之策

3月5日，鄭州大學金剛石材料與器件 團隊成功合成出純相六方金剛石塊材，并精確解析了其晶體結(jié)構(gòu)，揭示了全新的相變機制。相關(guān)研究成果以“Bulk hexagonal diamond”為題發(fā)表在國際學術(shù)期刊《自然》（Nature）上。

鄭州大學物理學院博士研究生來守龍、楊西貴教授和南京大學施九洋博士為該論文共同第一作者，鄭州大學單崇新教授、楊西貴教授、程少博教授以及南京大學孫建教授為論文共同通訊作者，鄭州大學為第一完成單位和通訊作者單位。

金剛石憑借其最高的硬度、優(yōu)異的熱導(dǎo)率、最快的聲傳輸速度、巨大的禁帶寬度、良好的生物兼容性等特點，在磨具磨料、珠寶首飾、散熱材料、極端環(huán)境光學元件及未來半導(dǎo)體等諸多領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，被譽為“工業(yè)牙齒”和“終極半導(dǎo)體”。傳統(tǒng)金剛石為立方晶系結(jié)構(gòu)，但1962年，研究者從理論上預(yù)測了六方晶系金剛石可能存在。隨后，1967年科學家在隕石中發(fā)現(xiàn)了一種六方結(jié)構(gòu)的碳同素異形體—六方金剛石，也稱為“朗斯代爾石”或“隕石鉆石”。理論進一步預(yù)言，這種獨特的原子堆垛方式賦予其超越立方金剛石的硬度，因而引起了科研人員的廣泛關(guān)注。然而，天然六方金剛石僅以納米級顆粒嵌在隕石中，極難分離；其形成源于隕石撞擊所產(chǎn)生的極端條件，過程短暫且概率極低。更為關(guān)鍵的是，六方金剛石在實驗條件下的形成能壘高于立方金剛石，導(dǎo)致高溫高壓合成產(chǎn)物多以立方相為主。因此，六方金剛石是否能夠獨立穩(wěn)定存在，長期以來一直存在爭議，而其本征物性也由于樣品尺寸過小，難以通過實驗精確測量。這一研究困境直至2025年才取得重要突破：2月，吉林大學劉冰冰教授團隊率先報道了六方金剛石塊材的合成；同年7月，北京高壓科學研究中心毛河光院士團隊利用高純度天然單晶石墨也成功制備出六方金剛石。然而，目前對于六方金剛石的形成機制及其在原子尺度上的精細晶體結(jié)構(gòu)，仍缺乏清晰的認識。

針對上述問題，鄭州大學金剛石材料與器件團隊科研人員歷時五年潛心研究，從設(shè)備研制入手，開發(fā)出大腔體單軸高壓技術(shù)，并利用該技術(shù)合成出導(dǎo)電金剛石材料。在此基礎(chǔ)上，以高定向熱解石墨為前驅(qū)體，提出石墨層受限滑移的思路，在20 GPa，1300oC條件下成功制備出毫米尺寸純相六方金剛石。通過同步輻射X射線衍射、球差校正透射電子顯微鏡及電子能量損失譜等表征手段，系統(tǒng)解析了其晶體結(jié)構(gòu)與成鍵特征，獲得了清晰的原子級分辨圖像，證實了其為六方晶系金剛石。并與南京大學孫建教授合作，結(jié)合機器學習分子動力學模擬，揭示了六方金剛石的全新相變路徑?；谒@得的六方金剛石材料，采用超聲波聲速、納米壓痕和維氏硬度等方法系統(tǒng)表征了其力學性能，結(jié)果表明其維氏硬度和剪切模量均優(yōu)于傳統(tǒng)的立方金剛石。

上述結(jié)果被審稿人評價為“truly convincing”,“provide a more complete picture”,“resolve a long-standing controversy on the existence of hexagonal diamond”等。這些來自不同獨立研究組的相互印證，進一步證實了六方金剛石人工合成的可行性，不僅為實現(xiàn)長久以來人們合成六方金剛石的夙愿提供了明確方案和關(guān)鍵證據(jù)，也為六方相金剛石的規(guī)?；苽浼捌湮磥響?yīng)用開辟了路徑。

該工作得到了國家自然科學基金、河南省自然科學基金以及鄭州大學高層次人才經(jīng)費等項目資助。

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