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科学家合成“超级金刚石”,还可以导电

发表时间:2021-10-25 10:17作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

碳是宇宙中含量第四高的元素,也是我们所知道的构成生命的基础,无论是单独的碳还是与其他元素联合构成的物质都能形成稳定的结构。


材料的性质取决于其原子的键合方式以及键合所产生的结构形式。对于基于碳的材料,不同的键合方式产生了不同的材料性质,比如具有三维“ sp3”键的金刚石具有很高的硬度,而具有二维“ sp2”键的石墨则具有很好的柔软性。


尽管碳化合物种类繁多,但只有少数3维,采用sp3键结合的碳基材料是已知的,包括金刚石。由于其具有包括强度,硬度和热导率在内的一系列优秀特性,这类三维键合结构的材料在许多实际应用中具有非常高的竞争力。


尽管人们对这种键合可能合成的结构做出了许多预测,但除了钻石及其一些包含其他元素的类似物,几乎没有其他可扩展的sp3碳材料被创造出来。


近日,卡耐基科学研究所的Timothy Strobel及其研究团队预测并成功合成了具有可调节机械性能和电子性能的“超级金刚石”碳基材料,研究成果发表在《Science Advances》杂志上。


Strobel介绍了其研究过程:“根据化学原理,向结构中添加硼会增强其稳定性,我们研究了另一种称为笼形物的3D键合碳材料,其笼形结构捕获了其他类型的原子或分子。”


由其他元素和分子组成的络合物是常见的,并且已经在自然界中合成或发现。然而,尽管长期以来一直预测碳基笼形物的存在,但至今尚未合成成功。研究人员尝试创建这种结构已经超过50年。



Strobel及其研究团队使用先进的结构搜索工具来预测第一个热力学稳定的碳基笼形物,然后合成笼形物结构,该结构由在高压和高温条件下捕获锶原子的碳硼笼子组成。


最终合成了具有与钻石键合方式相同的3D碳基骨架,并且可在环境条件下回收。但是与钻石不同的是,笼子中捕获的锶原子使材料具有金属性-意味着它可以导电,并且在高温下具有超导潜力。此外,笼形物的性质可能会根据笼子中客体原子的类型而变化。


Strobel说:“被困的原子与笼子有很强的相互作用。根据存在的特定客体原子,可以将包合物从半导体调整为超导体,同时保持牢固的类金刚石键。鉴于存在大量可能的替代物,我们设想了一种全新的具有高度可调属性的碳基材料。”


化合积电采用最先进的 MPCVD 装置,制备大面积高品质金刚石膜,具有高厚度均匀性和高生长速率。采用研磨抛光专用设备,使CVD金刚石生长面表面粗糙度Ra < 1 nm,呈镜状光泽。完全符合金刚石作为电子元件,需具备的极低的表面粗糙度和极高的面型精度,从而增大接触面积,提高其散热效率。采用激光切割,热影响区小、工件基本无变形、工具无损耗、割缝窄、切割速度快、割缝边缘垂直度好、切好无机械应力等。现有金刚石热沉片、晶圆级金刚石等产品。



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