De diamanten die met HPHT worden geproduceerd, zijn vanwege de gebruikte componenten echter altijd beperkt tot afmetingen van ongeveer één kubieke centimeter. Dat wil zeggen:het bereiken van zulke hoge drukken kan alleen op een relatief kleine lengteschaal worden gedaan. Het ontdekken van alternatieve methoden om diamanten uit vloeibaar metaal te maken onder mildere omstandigheden (vooral bij lagere druk) is een intrigerende fundamentele wetenschappelijke uitdaging die, indien bereikt, een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de diamantproductie. Kan het heersende paradigma worden uitgedaagd?

Een team van onderzoekers onder leiding van directeur Rod RUOFF van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) binnen het Institute for Basic Science (IBS), waaronder afgestudeerde studenten van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), hebben diamanten gekweekt onder omstandigheden van 1 atmosfeer druk en bij 1.025°C met behulp van een vloeibare metaallegering bestaande uit gallium, ijzer, nikkel en silicium, waardoor het bestaande paradigma wordt doorbroken. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

De ontdekking van deze nieuwe groeimethode opent veel mogelijkheden voor verder fundamenteel wetenschappelijk onderzoek en voor het op nieuwe manieren opschalen van de groei van diamanten.

Directeur Ruoff, tevens een UNIST Distinguished Professor, zegt:"Deze baanbrekende doorbraak was het resultaat van menselijk vernuft, niet-aflatende inspanningen en de gezamenlijke samenwerking van vele medewerkers."

Onderzoekers onder leiding van Ruoff voerden een reeks experimenten uit, waarbij enkele honderden parameteraanpassingen en een verscheidenheid aan experimentele benaderingen betrokken waren, voordat ze er uiteindelijk in slaagden diamanten te kweken met behulp van een 'zelfgebouwd' koudwandvacuümsysteem.

Ruoff voegt hieraan toe:"We hadden onze parametrische onderzoeken uitgevoerd in een grote kamer (genaamd RSR-A met een binnenvolume van 100 liter) en onze zoektocht naar parameters die de groei van diamant zouden opleveren, werd vertraagd vanwege de tijd die nodig was om lucht weg te pompen (ongeveer 3 minuten), spoelen met inert gas (90 minuten), gevolgd door opnieuw naar vacuümniveau pompen (3 minuten), zodat de kamer vervolgens gevuld kon worden met een druk van 1 atmosfeer van een vrij zuiver waterstof/methaanmengsel (opnieuw 90 minuten ); dat is ruim 3 uur voordat het experiment kon starten!

"Ik vroeg Dr. Won Kyung Seong om een ​​veel kleinere kamer te ontwerpen en te bouwen om de tijd die nodig is om het experiment te starten (en te beëindigen) met het vloeibare metaal dat wordt blootgesteld aan het mengsel van methaan en waterstof aanzienlijk te verkorten."

Seong voegt hieraan toe:"Ons nieuwe, zelfgebouwde systeem (genaamd RSR-S, met een binnenvolume van slechts 9 liter) kan in een totale tijd van 15 minuten worden leeggepompt, gespoeld, leeggepompt en gevuld met een methaan/waterstofmengsel. studies werden enorm versneld, en dit hielp ons de parameters te ontdekken waarvoor diamant in het vloeibare metaal groeit!"

Het team ontdekte dat diamant groeit in de ondergrond van een vloeibare metaallegering bestaande uit een 77,75/11,00/11,00/0,25 mix (atoompercentages) van gallium/nikkel/ijzer/silicium bij blootstelling aan methaan en waterstof onder een druk van 1 atm. ~1.025°C.

Yan Gong, afgestudeerd student en eerste auteur van UNIST, legt uit:"Toen ik op een dag met het RSR-S-systeem het experiment uitvoerde en vervolgens de grafietkroes afkoelde om het vloeibare metaal te laten stollen, en het gestolde vloeibare metaalstuk verwijderde, merkte ik een 'regenboogpatroon' verspreid over een paar millimeter op de onderkant van dit stuk. We ontdekten dat de regenboogkleuren te wijten waren aan diamanten! Hierdoor konden we parameters identificeren die de reproduceerbare groei van diamant bevorderden."

De initiële vorming vindt plaats zonder de noodzaak van diamant- of andere zaaddeeltjes die gewoonlijk worden gebruikt in conventionele HPHT- en chemische dampafzettingssynthesemethoden. Eenmaal gevormd, smelten de diamantdeeltjes samen om een ​​film te vormen, die gemakkelijk kan worden losgemaakt en kan worden overgebracht naar andere substraten, voor verder onderzoek en mogelijke toepassingen.

De tweedimensionale röntgendiffractiemetingen met synchrotron bevestigden dat de gesynthetiseerde diamantfilm een ​​zeer hoge zuiverheid van de diamantfase heeft. Een ander intrigerend aspect is de aanwezigheid van kleurcentra met siliciumvacancy in de diamantstructuur, aangezien er een intense nul-fononlijn bij 738,5 nm in het fotoluminescentiespectrum werd gevonden, geëxciteerd met behulp van een laser van 532 nm.

Co-auteur Dr. Meihui Wang zegt:"Deze gesynthetiseerde diamant met kleurcentra zonder silicium kan mogelijk toepassingen vinden in magnetische detectie en kwantumcomputers."

Het onderzoeksteam heeft zich diep verdiept in de mogelijke mechanismen waarmee diamanten onder deze nieuwe omstandigheden kunnen kiemen en groeien. Hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) beeldvorming op dwarsdoorsneden van de monsters toonde een amorf ondergronds gebied van ongeveer 30-40 nm dik in het gestolde vloeibare metaal dat direct in contact was met de diamanten.

Co-auteur Dr. Myeonggi Choe zegt:"Ongeveer 27 procent van de atomen die aanwezig waren op het bovenoppervlak van dit amorfe gebied waren koolstofatomen, waarbij de koolstofconcentratie afnam met de diepte."

Ruoff voegt hieraan toe:‘De aanwezigheid van zo’n hoge concentratie koolstof ‘opgelost’ in een galliumrijke legering kan onverwacht zijn, omdat koolstof naar verluidt niet oplosbaar is in gallium. Dit zou kunnen verklaren waarom dit gebied amorf is – terwijl alle andere gebieden van het gestolde vloeibare metaal zijn kristallijn. Dit ondergrondse gebied is waar onze diamanten kiemen en groeien en daarom hebben we ons daarop geconcentreerd."

Onderzoekers hebben het vloeibare metaal Ga-Fe-Ni-Si gedurende korte tijd blootgesteld aan methaan/waterstof om te proberen het vroege groeistadium te begrijpen – ruim vóór de vorming van een continue diamantfilm. Vervolgens analyseerden ze de koolstofconcentraties in de ondergrondse gebieden met behulp van diepteprofilering met secundaire ionenmassaspectrometrie.

Na een run van 10 minuten waren er geen diamantdeeltjes zichtbaar, maar er waren ~65 at% koolstofatomen aanwezig in het gebied waar de diamant doorgaans groeit. Diamantdeeltjes werden gevonden na een run van 15 minuten en er was een lagere ondergrondse C-atoomconcentratie van ~27 at%.

Ruoff zegt:‘De concentratie van koolstofatomen onder het oppervlak is zo hoog na ongeveer 10 minuten dat de blootstelling deze keer dichtbij of op oververzadiging ligt, wat leidt tot de kernvorming van diamanten, hetzij na 10 minuten, hetzij ergens tussen de 10 en 15 minuten. Er wordt verwacht dat deeltjes zeer snel na kernvorming zullen optreden, ergens tussen ongeveer 10 minuten en 15 minuten."

De temperatuur op 27 verschillende locaties in het vloeibare metaal werd gemeten met een bevestiging aan de groeikamer met een reeks van negen thermokoppels die was ontworpen en gebouwd door Seong. Het centrale gebied van het vloeibare metaal bleek een lagere temperatuur te hebben vergeleken met de hoeken en zijkanten van de kamer. Er wordt gedacht dat deze temperatuurgradiënt de koolstofdiffusie naar het centrale gebied stimuleert, waardoor de diamantgroei wordt vergemakkelijkt.

Het team ontdekte ook dat silicium een ​​cruciale rol speelt in deze nieuwe groei van diamant. De grootte van de volwassen diamanten wordt kleiner en hun dichtheid hoger naarmate de concentratie silicium in de legering wordt verhoogd ten opzichte van de optimale waarde. Diamanten zouden helemaal niet kunnen worden gekweekt zonder de toevoeging van silicium, wat erop wijst dat silicium mogelijk betrokken is bij de initiële kiemvorming van diamant.

Dit werd ondersteund door de verschillende theoretische berekeningen die zijn uitgevoerd om de factoren bloot te leggen die mogelijk verantwoordelijk zijn voor de groei van diamanten in deze nieuwe vloeibare metaalomgeving. Onderzoekers ontdekten dat silicium de vorming en stabilisatie van bepaalde koolstofclusters bevordert door voornamelijk sp ³ te vormen bindingen zoals koolstof. Er wordt gedacht dat kleine koolstofclusters die Si-atomen bevatten, zouden kunnen dienen als de ‘pre-kernen’, die vervolgens verder kunnen groeien om een ​​diamant te vormen. Er wordt voorspeld dat het waarschijnlijke groottebereik voor een initiële kern ongeveer 20 tot 50 C-atomen bedraagt.

Ruoff zegt:‘Onze ontdekking van kiemvorming en groei van diamant in dit vloeibare metaal is fascinerend en biedt veel opwindende mogelijkheden voor meer fundamentele wetenschap. We onderzoeken nu ‘wanneer’ kiemvorming, en dus de snelle daaropvolgende groei van diamant, plaatsvindt. experimenten met temperatuurdaling waarbij we eerst oververzadiging van koolstof en andere noodzakelijke elementen bereiken, gevolgd door het snel verlagen van de temperatuur om kernvorming te veroorzaken – zijn enkele onderzoeken die ons veelbelovend lijken."

Het team ontdekte dat hun groeimethode aanzienlijke flexibiliteit biedt in de samenstelling van vloeibare metalen. Onderzoeker Dr. Da Luo zegt:"Onze geoptimaliseerde groei werd bereikt met behulp van de vloeibare legering gallium/nikkel/ijzer/silicium. We ontdekten echter ook dat diamant van hoge kwaliteit kan worden gekweekt door nikkel te vervangen door kobalt of door gallium te vervangen door gallium. -indiummengsel."

Ruoff concludeert:"Diamant kan worden gekweekt in een grote verscheidenheid aan vloeibare metaallegeringen met een relatief laag smeltpunt, zoals die een of meer van indium, tin, lood, bismut, gallium en mogelijk antimoon en tellurium bevatten - en in de gesmolten legering ook andere legeringen. elementen zoals mangaan, ijzer, nikkel, kobalt enzovoort als katalysatoren, en andere als doteermiddelen die kleurcentra opleveren. Naast methaan is er een breed scala aan koolstofvoorlopers beschikbaar (verschillende gassen, en ook vaste koolstoffen).

“Nieuwe ontwerpen en methoden voor het introduceren van koolstofatomen en/of kleine koolstofclusters in vloeibare metalen voor de groei van diamant zullen zeker belangrijk zijn, en de creativiteit en het technisch vernuft van de wereldwijde onderzoeksgemeenschap lijken mij, op basis van onze ontdekking, waarschijnlijk snel te leiden naar andere gerelateerde benaderingen en experimentele configuraties. Er zijn talloze intrigerende wegen om te verkennen!"

Meer informatie: Yan Gong, Groei van diamant in vloeibaar metaal bij een druk van 1 atm, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07339-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07339-7

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Instituut voor Basiswetenschappen