주변 압력에서 다이아몬드 만들기

현재 합성 다이아몬드의 99%가 고압고온(HPHT) 방식을 통해 생산된다는 사실을 알고 계셨나요?^[2] 지배적인 패러다임은 다이아몬드가 오직 액체금속촉매를 이용해 성장시킬 수 있다. 기가파스칼 압력 범위 (일반적으로 5-6 GPa, 여기서 1 GPa는 약 10,000 atm), 일반적으로 온도 범위는 1300-1600 °C입니다. 그러나 HPHT를 사용하여 생산된 다이아몬드는 관련 구성 요소로 인해 항상 약 1입방센티미터의 크기로 제한됩니다. 즉, 그러한 높은 압력을 달성하는 것은 상대적으로 작은 길이 규모에서만 수행될 수 있습니다. 보다 온화한 조건(특히 낮은 압력)에서 액체 금속에서 다이아몬드를 제조하는 대체 방법을 발견하는 것은 달성할 경우 다이아몬드 제조에 혁명을 일으킬 수 있는 흥미로운 기초 과학 과제입니다. 기존 패러다임에 도전할 수 있을까?

기초과학연구원(IBS) 산하 다차원탄소재료연구단(CMCM) 로드 루오프(Rod RUOFF) 소장 연구팀과 울산과학기술원(UNIST) 대학원생 등이 다양한 조건에서 다이아몬드를 성장시켰다. 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체금속합금을 사용하여 1기압, 1025℃에서, 그래서 기존 패러다임을 깨고. 이 새로운 성장 방법의 발견은 추가적인 기초 과학 연구와 새로운 방식으로 다이아몬드 성장을 확장할 수 있는 많은 가능성을 열어줍니다.

UNIST 특훈교수이기도 한 루오프 소장은 “이번 선구적인 성과는 인간의 독창성과 끊임없는 노력, 그리고 많은 연구자들의 단합된 협력의 결과”라고 평가했다. Ruoff가 이끄는 연구원들은 수백 개의 매개변수 조정과 다양한 실험적 접근법을 포함하는 일련의 실험을 수행한 후 마침내 ‘집에서 만든’ 냉벽 진공 시스템을 사용하여 다이아몬드를 성장시키는 데 성공했습니다.

Ruoff는 “우리는 내부 부피가 100리터인 RSR-A라는 대형 챔버에서 파라메트릭 연구를 진행해 왔으며, 공기를 펌핑하는 데 필요한 시간으로 인해 다이아몬드 성장을 가져올 매개변수에 대한 검색이 느려졌습니다. 약 3분), 불활성 가스로 퍼지(90분)한 다음 다시 진공 수준으로 펌핑(3분)하여 챔버가 1기압의 매우 순수한 수소/메탄 혼합물로 채워질 수 있습니다(다시 90분). ; 실험이 시작되기까지 3시간이 넘게 남았습니다! 액체 금속에 노출된 실험을 시작하고 완료하는 데 필요한 시간을 크게 줄이기 위해 성원경 박사에게 훨씬 더 작은 챔버를 설계하고 제작하도록 요청했습니다. 메탄과 수소의 혼합물.” 성씨는 “우리의 새로운 가정용 시스템(RSR-S, 내부 용량은 9리터에 불과)은 총 15분 안에 펌핑, 퍼지, 펌핑 및 메탄/수소 혼합물 충전이 가능합니다.”라고 덧붙였습니다. 연구가 크게 가속화되었으며 이는 액체 금속에서 다이아몬드가 성장하는 매개변수를 발견하는 데 도움이 되었습니다!”

연구팀은 갈륨/니켈/철/실리콘의 77.75/11.00/11.00/0.25 혼합물(원자 백분율)로 구성된 액체 금속 합금의 하위 표면에서 다이아몬드가 1기압의 압력에서 메탄과 수소에 노출될 때 성장한다는 사실을 발견했습니다. ~1025°C.

제1저자인 공옌(Yan GONG) UNIST 대학원생은 “어느 날 RSR-S 시스템으로 실험을 진행한 뒤 흑연 도가니를 냉각해 액체 금속을 응고시킨 뒤 응고된 액체 금속 조각을 제거할 때 ” 무지개 패턴’이 이 작품의 바닥 표면에 몇 밀리미터 이상 퍼져 있었습니다. 우리는 무지개 색깔이 다이아몬드 때문이라는 것을 알아냈습니다. 이를 통해 우리는 다이아몬드의 재현 가능한 성장을 선호하는 매개 변수를 식별할 수 있었습니다.”

초기 형성은 기존 HPHT 및 화학 기상 증착 합성 방법에 일반적으로 사용되는 다이아몬드 또는 기타 시드 입자가 필요 없이 발생합니다. 일단 형성되면 다이아몬드 입자는 병합되어 필름을 형성하며, 이 필름은 추가 연구 및 잠재적인 응용을 위해 쉽게 분리되어 다른 기판으로 옮겨질 수 있습니다.

싱크로트론 2차원 X선 회절 측정을 통해 합성된 다이아몬드 필름이 다이아몬드 상 순도가 매우 높다는 것을 확인했습니다. 또 다른 흥미로운 측면은 실리콘 공석 컬러 센터 다이아몬드 구조에서는 532 nm 레이저를 사용하여 여기된 광발광 스펙트럼에서 738.5 nm에서 강렬한 제로 포논 선이 발견되었습니다.

공동 저자인 왕 메이후이(Meihui WANG) 박사는 “실리콘 공극 컬러 센터를 갖춘 이 합성 다이아몬드는 자기 감지 및 양자 컴퓨팅에 응용될 수 있다”고 말했습니다.

연구팀은 이러한 새로운 조건에서 다이아몬드가 핵을 생성하고 성장할 수 있는 메커니즘을 깊이 조사했습니다. 샘플 단면에 대한 고해상도 투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 다이아몬드와 직접 접촉하고 있는 응고된 액체 금속에서 약 30-40 nm 두께의 비정질 지하 영역을 보여주었습니다. 공동저자인 최명기 박사는 “이 비정질 영역의 상부 표면에 존재하는 원자의 약 27%가 탄소 원자였으며, 탄소 농도는 깊이에 따라 감소했습니다.”라고 말합니다.

Ruoff는 “갈륨이 풍부한 합금에 이렇게 높은 농도의 탄소가 ‘용해된’ 것은 예상치 못한 일입니다. 탄소는 갈륨에 용해되지 않는 것으로 보고되었기 때문입니다. 이는 이 영역이 비정질인 이유를 설명할 수 있습니다. 응고된 액체 금속의 영역은 결정질입니다. 이 표면 아래 영역은 우리의 다이아몬드가 핵을 생성하고 성장하는 곳이므로 우리는 여기에 집중했습니다.”

연구자들은 연속 다이아몬드 필름이 형성되기 훨씬 전인 초기 성장 단계를 이해하기 위해 짧은 시간 동안 Ga-Fe-Ni-Si 액체 금속을 메탄/수소에 노출시켰습니다. 그런 다음 그들은 비행 시간 2차 이온 질량 분석기 깊이 프로파일링을 사용하여 지하 영역의 탄소 농도를 분석했습니다. 10분 실행 후 다이아몬드 입자는 눈에 띄지 않았지만 일반적으로 다이아몬드가 자라는 영역에는 ~65at%의 탄소 원자가 존재했습니다. 15분 실행 후에 다이아몬드 입자가 발견되기 시작했으며, 표면 아래 C 원자 농도는 ~27at%로 더 낮았습니다.

Ruoff는 “표면 아래 탄소 원자의 농도는 약 10분에 너무 높기 때문에 이 시간 노출은 과포화에 가깝거나 과포화 상태이므로 10분 또는 10~15분 사이에 다이아몬드 핵이 생성됩니다. 다이아몬드의 성장 입자는 핵 생성 후 약 10분에서 15분 사이에 매우 빠르게 발생할 것으로 예상됩니다.”

액체 금속 내 27개 위치의 온도는 성씨가 설계하고 제작한 9개의 열전대가 배열된 성장 챔버에 부착되어 측정되었습니다. 액체 금속의 중앙 부분은 챔버의 모서리와 측면에 비해 온도가 낮은 것으로 나타났습니다. 이러한 온도 구배는 중앙 지역으로 탄소 확산을 유도하여 다이아몬드 성장을 촉진하는 것으로 생각됩니다.

연구팀은 또한 실리콘이 다이아몬드의 새로운 성장에 중요한 역할을 한다는 사실도 발견했습니다. 합금의 실리콘 농도가 최적값에서 증가함에 따라 성장된 다이아몬드의 크기는 작아지고 밀도는 높아집니다. 다이아몬드는 실리콘을 첨가하지 않으면 전혀 성장할 수 없습니다. 이는 실리콘이 다이아몬드의 초기 핵 생성에 관여할 수 있음을 시사합니다.

이는 새로운 액체 금속 환경에서 다이아몬드의 성장을 담당할 수 있는 요인을 밝히기 위해 수행된 다양한 이론적 계산에 의해 뒷받침되었습니다. 연구원들은 실리콘이 주로 sp를 형성함으로써 특정 탄소 클러스터의 형성과 안정화를 촉진한다는 것을 발견했습니다.^삼 탄소와 같은 결합. Si 원자를 포함하는 작은 탄소 클러스터는 ‘전핵’ 역할을 할 수 있으며, 이후 더 성장하여 다이아몬드 핵을 생성할 수 있는 것으로 생각됩니다. 초기 핵의 가능한 크기 범위는 약 20~50개의 C 원자인 것으로 예측됩니다.

Ruoff는 “이 액체 금속에서 다이아몬드의 핵 생성과 성장에 대한 우리의 발견은 매우 흥미롭고 더 많은 기초 과학에 대한 많은 흥미로운 기회를 제공합니다. 우리는 현재 탐구하고 있습니다. 언제 핵형성과 그에 따른 다이아몬드의 급속한 성장이 일어납니다. 또한 탄소 및 기타 필요한 원소의 과포화를 먼저 달성한 다음 핵 생성을 유발하기 위해 온도를 빠르게 낮추는 ‘온도 강하’ 실험은 우리에게 유망해 보이는 일부 연구입니다.”

팀은 그들의 성장 방법이 액체 금속 구성에 상당한 유연성을 제공한다는 것을 발견했습니다. Da LUO 연구원은 “갈륨/니켈/철/실리콘 액체 합금을 사용하여 최적화된 성장을 달성했습니다. 그러나 니켈을 코발트로 대체하거나 갈륨을 갈륨으로 대체하면 고품질 다이아몬드를 성장시킬 수 있다는 사실도 발견했습니다.” -인듐 혼합물.”

Ruoff는 “다이아몬드는 하나 이상의 인듐, 주석, 납, 비스무트, 갈륨 및 잠재적으로 안티몬과 텔루륨을 포함하고 용융 합금에 포함되는 등 비교적 낮은 융점의 다양한 액체 금속 합금에서 성장할 수 있습니다. 망간, 철, 니켈, 코발트 등과 같은 다른 원소를 촉매로 사용하고 다른 원소는 색상 중심을 생성하는 도펀트로 사용 가능하며 메탄(다양한 가스 및 고체 탄소) 외에도 다양한 탄소 전구체를 사용할 수 있습니다. 그리고 다이아몬드 성장을 위해 탄소 원자 및/또는 작은 탄소 클러스터를 액체 금속에 도입하는 방법은 확실히 중요할 것이며, 전 세계 연구계의 창의성과 기술적 독창성은 우리의 발견에 기초하여 다른 관련 분야로 빠르게 이어질 것으로 보입니다. 접근 방식과 실험적 구성에는 탐험할 수 있는 흥미로운 방법이 많이 있습니다!”

이번 연구는 기초과학연구원의 지원을 받아 학술지에 게재됐다. 자연.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/04/240424111504.htm