科學家首次在原子級別觀察到金剛石的形核過程

圖中所示為金剛石納米顆粒（右）生長形成的大塊金剛石晶體（左）。數萬億的金剛石顆粒被附著在硅晶片的表面，然後將其放置在碳、氫等離子體（紫色）中，碳和氫是形成金剛石所必需的兩種元素。一項新的研究發現，只有當系統中含有至少26個碳原子時，金剛石才開始真正的生長。 圖片來源： SLAC國家加速器實驗室

天然金剛石是由來自地下深處的巨大壓力和溫度共同促進而形成的。但人造金剛石卻可以通過形核長大，從一個微小的「種子」生長出一個大塊的金剛石晶體。就像雲層中的微小粒子會慢慢的聚集長大，最終再融化成雨滴灑落大地。

近日，科學家們首次在原子水平上觀察到了金剛石的生長過程，並且得到了金剛石「種子」能夠出現快速生長的臨界尺寸值。

本周發表於《美國國家科學院院刊》的研究結果顯示，原子的形核過程不僅會發生在金剛石中，而且在各種氣氛中、計算機晶元的硅晶體中，甚至在神經系統的蛋白質中也會發生。

「原子的形核長大是材料科學中的一個基本原則，幾乎每本教科書中都有相關的理論和公式對其進行了詳細的描述，」來自斯坦福大學SLAC國家加速器實驗室的Nicholas Melosh教授說，「例如從液態水到固態冰，它是我們描述從一個物相到另一個物相的方式。」

但有趣的是，他說，「儘管這一理論已經得到了材料學家的一致認可，但卻從未通過實驗得到驗證，因為儀器的限制，使得在原子級別上觀察晶體的生長過程是非常困難的。」

事實上，科學家們早就知道，形核經典理論往往高估了形核過程中所需的能量勢壘。因此，他們找到了一種將理論與實驗相結合的方法，但直到現在，研究人員也只能在較大尺度上對其進行觀察，而想要在原子尺度上研究形核過程依然存在很大的難度。

為了在一個最小尺度上研究金剛石原子的形核機理， Melosh和他的團隊把重點放在了金剛石最小的原子上。

最新一輪的實驗研究是由斯坦福大學博士後研究員Matthew Gebbie領導的。他對相界面一直有著較深的研究，所謂相界面，即一種物質與另一種物質的交界處，例如空氣和水之間的界限一樣。CVD（化學氣相沉積法）被廣泛用於工業和珠寶類金剛石的生產過程中，而事實證明，相界面對於化學氣相沉積法生產金剛石的過程是至關重要的。

為了在實驗室中用化學氣相沉積法來製備大塊金剛石晶體，該研究團隊將無數微小的金剛石顆粒分散在硅晶片表面，並將其置於氫和碳的等離子體中（它們是形成鑽石所必需的兩種元素），高溫下的等離子體會使得電子從原子中剝離下來。

Gebbie表示，這種等離子體可以溶解金剛石顆粒，也可以促使金剛石粒子的形核長大，兩者之間的競爭作用決定了其能否形成更大的金剛石晶體結構。將碳原子融入固體中的方法有很多，但只有在最合適的條件下，我們才會得到閃閃發光的鑽石， 否則你最終得到的只不過是一些極其便宜的石墨，也就是我們平時見到的鉛筆芯而已。

該研究使科學家們對金剛石的形核過程有了一個更精細的控制。因為它們實在是太微小了，所以儘管我們使用最先進的電子顯微鏡也無法直接看到，但是我們卻可以根據所含碳原子的數量進行精確排序，然後通過化學氣相沉積的方法將其附著在硅晶片的表面，進而放置於等離子態氣氛中。

雖然之前不乏有對金剛石形核的研究，但這卻是第一次用不同大小的金剛石粒子所做的測試。該研究團隊發現，只有當含有26個碳原子以上時，才會促進金剛石晶體的生長。

更重要的是，Gebbie表示，他們能夠直接測量出金剛石顆粒形核長大的能量勢壘，這無疑是具有里程碑意義的一項發現。

Gebbie補充說，「這是一項非常基礎的研究，但最值得我們興奮的是，我們發現了一種可預測且非常可靠的，製造金剛石納米材料的方法。現在我們已經得到了所需的基礎理論，接下來要做的便是找尋那些，能夠將這些金剛石納米材料切實投入應用的方法。」

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