【儀表網 研發快訊】北京理工大學前沿交叉科學院陳亞彬教授課題組與爆炸科學與安全防護全國重點實驗室張建國教授團隊開展緊密合作，近日在極端環境下二維金剛石的可控制備方面取得重要突破，該工作在高溫高壓下由少層石墨烯成功制備出厚度可控、結構穩定的二維超薄金剛石，并深入探究其結構轉變機制。相關研究成果以題為“Experimental Demonstration and Transformation Mechanism of Quenchable Two-dimensional Diamond”發表在國際學術期刊《Nature Communications》上，化學與化工學院博士研究生李嘉蔭為論文第一作者，北京理工大學陳亞彬教授和張建國教授為共同通訊作者。
 

　　二維金剛石因其獨特的sp3雜化方式、原子級厚度以及量子限域效應，被認為有望繼承體相金剛石優異的硬度、熱導率和化學穩定性，同時展現出獨特的物理化學性質，在納電子學和光電子學領域具有巨大的應用潛力，成為新一代碳基功能材料(二維金剛石的研究進展，高壓物理學報，2025，DOI:10.11858/gywlxb.20251248)。盡管理論上對其結構與性質有著諸多預測，但長期以來，二維金剛石的實驗制備與相變機制一直是該研究領域的難題(J. Ming, et al, Adv Mater, 2025, 37(42), e11137)。陳亞彬教授課題組與張建國教授團隊通過自主設計并搭建的雙面激光加熱金剛石對頂砧系統(授權發明專利號ZL 2022 1 0136753.X)，在極端壓力(GPa級別)和極端溫度(1200 ~ 3500 K)條件下，成功實現了從三層碳原子到數百納米厚度范圍內二維金剛石的可控制備，如圖1所示。
 

圖1. 高溫高壓條件下三層二維金剛石的可控合成及表征
 

　　研究團隊利用金屬錸箔作為石墨烯支撐基底與輔助吸熱材料，結合高溫高壓技術，成功制備出厚度低至三層碳原子的二維金剛石(32.3 GPa，2924 K，厚度約1 nm)。通過高分辨透射電鏡、顯微拉曼光譜、熒光光譜等表征手段，系統揭示了其晶體結構與光學性質。實驗表明，二維金剛石產物展現出極窄的金剛石拉曼特征峰(半峰寬約3.6 cm-1)，表明其具有優異的晶體質量。微區熒光光譜測試表明，二維金剛石產物展現出了豐富的發光色心，如NV0、SiV-等，這在量子計算和傳感器件等領域具有重要的應用前景。
 

　　在微觀結構與相變機制方面，高分辨透射電鏡結果表明二維金剛石中包括立方金剛石(CD)和六方金剛石(HD)兩種結構，sp3雜化比例高達89.9%。團隊通過分析混合相界面的原子排列，揭示了菱方石墨(RG)作為中間相在六方石墨(HG)向立方金剛石轉變過程中的關鍵作用，并分別確定了六方相石墨向六方相金剛石與立方相金剛石轉變過程中的晶體學取向關系，即(002)HG∥(100)HD與(002)HG∥(003)RG∥(111)CD，為揭示碳材料的相變路徑提供了實驗依據。此外，研究還發現二維金剛石的光學帶隙(1.4 ~ 1.9 eV)和熱穩定性(高達1000 °C)與其內部的sp3含量密切相關，展現出優異的可調控性。
 

圖2. 二維金剛石產物的微觀結構表征。
 

　　該研究成果不僅為二維金剛石的可控制備提供了新的思路，也為深入理解碳同素異形體之間的相變機制提供了關鍵線索，對推動新型碳基納米材料的設計、合成與應用具有重要意義。
 

　　該研究得到了國家自然科學基金等多個項目的支持。該工作第一完成單位為北京理工大學，并得到了南京大學、北京高壓科學與技術研究中心等多個單位的鼎力支持。