田永君院士课题组CRPS：极硬、高韧的窄带隙非晶碳

第一/共一作者：张爽爽、武英举、罗坤、刘兵

通讯作者：赵智胜、Alexander V. Soldatov、田永君

通讯单位：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（CHiPS）

研究背景

碳是地球上一切生物有机体的组成元素，与人们的日常生活、生产息息相关。碳具有sp、sp²、sp³三种杂化方式，因此可以形成多种同素异形体，例如石墨、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优异物理化学特性，具有重要的科学和应用价值。它们的出现极大推动了科技的发展，因此21世纪又被称为“碳时代”。一直以来，人们探索新型碳材料的脚步从未停止过。

成果简介

燕山大学田永君院士课题组合成了一类极硬、高韧的窄带隙非晶碳。此类非晶碳由无序的类石墨和类金刚石结构构成，具有窄带隙0.1-0.3 eV，不同于零带隙的石墨烯和宽带隙的金刚石，其硬度可媲美单晶金刚石，韧性却高于金刚石，是普通硅酸盐玻璃韧性的~8倍。该研究成果在线发表于Cell Reports Physical Science。

文章要点

作者澄清了富勒烯C₆₀在高温高压下的相变过程，分别在15 GPa、800 ℃和15 GPa、1000 ℃条件下截获了非晶碳am-I和am-II。这两个样品均具有类石墨和类金刚石结构的衍射信息，高分辨透射电镜观察到无序弯曲的多层石墨烯片段嵌在更加致密的无序基体中。这与之前他们在更高压力（25 GPa）截获的非晶碳不同，那类非晶碳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 ^[1]。

此类非晶碳内部的sp³成分可达50-63%，密度2.7-3.0 g/cm³，介于石墨与金刚石之间。这类非晶碳的室温电阻率与多晶锗相当，带隙介于0.1-0.3 eV之间，有望应用在中远红外光电探测领域；其维氏硬度可达81 GPa，与单晶金刚石相媲美；断裂韧性为8.0 MPa•m^1/2，是普通硅酸盐玻璃的~8倍。

图1. （A）和（B）非晶碳am-I、am-II内部结构的高分辨透射电镜图。蓝框区：无序弯曲的多层石墨烯片段, 同时标出了其类石墨层间距d；红框区：富含类金刚石四面体的无序致密区。（C）非晶碳XRD图。浅蓝色和橘色衍射峰包含了类石墨和类金刚石结构的信息。插图：黑色的非晶碳块材。（D）与普通无机玻璃的硬度和断裂韧性对比。（E）与单晶金刚石和前人利用物理化学沉积法制备的非晶碳膜的硬度和光学带隙对比。

小结

该研究澄清了富勒烯C₆₀在高温高压（15 GPa）下的相转变过程，截获了一类极硬、高韧的窄带隙非晶碳材料。该类非晶碳材料的硬度可媲美单晶金刚石，韧性远高于普通无机玻璃，同时还表现出金刚石和石墨烯所不具备的窄带隙半导体特性，具有重要的应用前景。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Narrow-gap, semiconducting, superhard amorphous carbon with high toughness, derived from C₆₀ fullerene

Shuangshuang Zhang, Yingju Wu, Kun Luo, Bing Liu, Yu Shu, Yang Zhang, Lei Sun, Yufei Gao, Mengdong Ma, Zihe Li, Baozhong Li, Pan Ying, Zhisheng Zhao 9, Wentao Hu, Vicente Benavides, Olga P. Chernogorova, Alexander V. Soldatov, Julong He, Dongli Yu, Bo Xu, Yongjun Tian

Cell Rep. Phys. Sci., 2021, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100575

参考文献:

1. Shuangshuang Zhang et al., Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material. National Science Review, 2021, DOI: 10.1093/nsr/nwab140

（本稿件来自Cell Press）