上海光源线站工程新建线站BL13HB首发Nature
时间 : 2021-12-01     

寻找新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题。作为自然界中最丰富的元素之一,碳具有多种杂化成键方式,形成的碳材料结构丰富、性质迥异,应用也极为广泛,因此,几乎每一种新碳材料的发现都引发了研究热潮。近年来,非晶材料因展现出如各向同性等不同于晶态材料的显著特点,越来越受到人们的关注。探索新型非晶材料建立结构与物性之间的关联,是非晶材料领域的重要课题。全sp3非晶碳块体材料的合成对非晶材料领域也具有重要意义。

吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授团队采用自主发展的大腔体压机超高压关键技术,利用C60碳笼压致塌缩形成的非晶碳团簇这一新的构筑基元,探索了其在20-37 GPa压力范围内的温压反应相图,首次成功实现了毫米级近全sp3非晶碳块体材料的合成。同时非晶材料的结构解析一直是极具挑战的难题,研究团队与上海光源BL13HB线站合作,基于高质量的非晶样品,获得了sp3非晶碳的结构因子与对分布函数(PDF)数据,进而给出了样品近邻原子间的键长,键角以及配位等关键结构信息。20211124日,相关研究成果以“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene”为题发表于Nature 杂志(姚明光教授与刘冰冰教授为论文共同通讯作者),这也是用户利用上海光源线站工程线站发表的首篇Nature文章这些突破性成果被Nature审稿人高度评价为非晶材料领域的重大进展为超硬材料家族添加了独特的一员提供了新颖的物理特性表征,对凝聚态物理和化学领域都是原创且极其有趣的

为解决sp3非晶碳块体材料合成的难题,课题组近年来潜心攻关,首次利用国产的硬质合金压砧突破了商用Walker型大腔体压机的压力极限,发展了大腔体压机毫米级样品腔超高压产生的关键技术,在高温条件下实现了高达37万大气压的超高压力。基于对富勒烯C60高压研究的长期积累,提出了采用大腔体超高压技术,利用C60碳笼压致塌缩形成非晶碳团簇这一新的构筑基元,在更高温压区间反应合成全sp3非晶碳块体材料的思路。研究团队在苛刻的温压条件下,合成出了高质量、毫米级、透明的近全sp3非晶碳,sp3碳含量最高可达97.1%。结合高分辨电镜技术与上海光源的PDF数据,破解了近全sp3非晶碳的结构难题,发现其是由具有短/中程序的四配位类金刚石sp3碳团簇形成的非晶结构。因其独特的结构,所制备的近全sp3非晶碳展现出优异的力、热、光学性能,创下多项非晶材料之最,其光学带隙高达2.7 eV;维氏硬度高达102 GPa9.8 N载荷下),杨氏模量达到1182 GPa,可与金刚石相媲美;热导率高达26 W/mK,是目前非晶材料中发现的硬度、热导率、模量最高的材料。此外通过改变压力,研究团队还实现了非晶碳sp3含量与性能的精细调控,发现了非晶碳sp3含量与光学带隙、热导率的正相关规律,获得了系列光学带隙可调(1.8 eV-2.7 eV)的非晶碳材料,比非晶硅、锗具有更大的带隙以及调控范围,为非晶材料的应用开辟了新的空间。

BL13HB主要用于X射线成像及生物医学应用,是上海光源线站工程的建设内容之一,与原BL13W1相比,新增了白光模式,样品处光通量相比原单色光模式提高一个量级,可开展动态CT研究。同时对实验站布局进行了优化,分为高分辨成像、动态成像及衍射(PDF)三个区域,更好地适应用户需求。该线站于2021611日通过中科院组织的工艺测试,并向用户开放。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03882-9

1. a,高质量sp3非晶碳块材的光学照片;bsp3非晶碳样品的PDF分析;csp3非晶碳样品的维氏硬度测量;dsp3非晶碳样品的热导率和硬度与其他非晶材料的比较。