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《深圳先进院发展出利用颜色快速分辨类金刚石薄膜的新方法》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-04-12

  • 中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究员及其团队成员通过对类金刚石（DLC）薄膜颜色和微结构的系统分析，并结合理论计算，揭示了不同种类DLC薄膜的颜色产生机理，成功发展出利用DLC薄膜颜色快速分析DLC薄膜种类和结构的新方法。相关研究成果以"Colorful diamond-like carbon films from different micro/nanostructures"（多彩的类金刚石薄膜源自于不同的薄膜微纳结构）为题在线发表于国际著名材料期刊《先进光学材料》上（ Advanced Optical Materials , 2020, DOI: 10.1002/aeom.201902064，IF= 7.36）。 　　DLC薄膜具有优异的机械性能、良好的化学稳定性、生物相容性、独特的光学特性等，已广泛应用于精密工具、仪器、医疗器材等重要领域。DLC薄膜是由sp2/sp3杂化碳和少量氢元素组成的非晶亚稳态薄膜。传统的DLC薄膜分类方法需要根据DLC薄膜的微结构定量分析来完成，通常需要基于大型同步辐射光源和卢瑟福背散射等分析条件，因此一般实验条件难以实现对DLC的准确分类，从而导致DLC在应用领域难以实现定量研发。 　　基于此，唐永炳研究员及其团队成员周小龙博士、郑勇平博士等人通过对选择不同DLC薄膜沉积方法和改变沉积条件等途径，对所获得DLC薄膜颜色进行定量分析，并利用多种表征手段对其微结构和光学性能进行定量分析，同时结合第一性原理计算，最终揭示了DLC薄膜的颜色变化规律。该研究打破了传统DLC分类手段的苛刻实验要求，通过简单的颜色规律实现DLC薄膜的快速分类，将推动其在多个重要应用领域的快速发展。 　　该项研究得到了国家自然科学、广东省科技计划、深圳市科技计划等项目资助。

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  • 《深圳先进院研发出紫外—红外高透过的防雾自清洁超薄金刚石纳米膜》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-06-28
    • 中国科学院深圳先进技术研究院功能薄膜材料研究中心唐永炳研究员团队联合香港城市大学张文军教授，研发出从紫外到红外波段具有高透光率的超薄金刚石纳米膜，并具有防雾、水下自清洁和抗磨损特性，为光学透镜、海洋精密仪器、高清监控、红外传感器等重要领域提供了表面防护新策略，研究成果“UV-to-IR highly transparent ultrathin diamond nanofilms with intriguing performances: Anti-fogging, self-cleaning and self-lubricating”已在线发表于国际材料著名期刊Applied Surface Science上（Applied Surface Science, 2020, DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.146733, JCR1区，IF=5.155）。 △ 图（a）45nm超薄金刚石纳米膜；（b）50和100纳米金刚石膜石英玻璃在紫外—可见光波段的透光率；（c）50和100纳米金刚石膜石英玻璃在红外波段的透光率；（d）粘附食用油的镀膜石英片在水下自清洁和水下油的接触角；（e）手机屏覆盖镀膜石英，白色虚线表示石英片边界；（f）无镀膜和镀膜石英片置于沸水之上，黄色虚线表示金刚石镀膜石英片边界；（g）无镀膜和镀膜石英表面的摩擦系数及划痕实验对比。 金刚石具有优异的光学性能、高热导率、超高的硬度、耐磨性、抗腐蚀性、以及良好的生物相容性等，由于受传统预形核工艺限制，一般金刚石薄膜的厚度在200 nm以上，而透光率随着薄膜厚度的增加呈下降趋势，难以获得在紫外、可见光及红外波段的高透过率。 鉴于此，唐永炳研究员及其团队成员黄磊、王陶博士等人通过自主研发的自组装植晶气相沉积法，成功制备出厚度仅为45nm的高致密金刚石纳米膜，镀膜石英玻璃在紫外—可见光波段的透光率高达90%，在水下的透光率高达98%，接近无镀膜石英玻璃。金刚石纳米膜在红外波段具有增透的效果，镀膜石英玻璃的透光率高达85%，比无镀膜石英玻璃高10%。 进一步研究发现表面处理后的金刚石纳米膜具有超亲水和水下超亲油特性，使镀膜玻璃在蒸汽和温度剧变的环境下仍具有透明防雾的功能，并且在水下能够抗油污粘附，实现水下自清洁功能。此外，这种超薄金刚纳米膜具有优异的抗磨损性能，将高速运动的沙粒撞击金刚石纳米膜表面后，其表面形貌和透光率基本保持不变。并且发现镀膜后的石英玻璃具有超低摩擦系数和自润滑功能，摩擦系数比无镀膜降低了三倍以上。 目前，该宽波段高透光率的超薄金刚石纳米膜可在半导体、石英、玻璃等多种商用基体材料上制备，在光学镜头、光学元件、监控、红外传感、海洋精密仪器等领域具有良好的应用前景。 该研究得到了国家自然科学基金，广东省科技计划、深圳市科技计划等项目资助。
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  • 《发现制造金刚石的新方法》
    • 来源专题：重大科技基础设施领域知识集成服务平台
    • 编译者：魏韧
    • 发布时间：2020-09-14
    • 斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的一项新研究表明，通过仔细调节热量和压力，可以从原油和天然气中的氢和碳分子中生产金刚石。这种不符合热动力学的方法及成果发表于2020年2月21日的《科学进展》上。 用其他材料合成金刚石已有60多年的历史，但这种转变通常需要消耗大量的能量、时间，添加催化剂（通常是金属）往往会降低最终产品的质量。该研究团队希望找到一个清洁的系统，其中的物质可以在没有催化剂的情况下转变为纯净的金刚石。理解这种转变的机制对于珠宝以外的其他应用非常重要。 金刚石具有极高的硬度、光学透明性、化学稳定性、高导热率，在医学、工业、量子计算技术和生物传感等应用领域极具价值。天然金刚石是由地下数百英里的碳结晶而成，那里的温度高达数千华氏度。到目前为止，大多数天然金刚石都是在数百万年前的火山喷发中被发掘出来的。如果能制造出少量的这种纯金刚石，就能以可控的方式将其掺杂到特定的应用中。 为了合成金刚石，研究小组首先从石油中提炼出三种粉末。利用强大的显微镜观察这种无味、微粘的粉末，区分出像金刚石晶体原子排列的空间模式，好像金刚石晶格被切割成由一个、两个或三个笼子组成的更小的单元。 与纯碳的金刚石不同，这种被称为类金刚石的粉末也含有氢。我们可以更快、更方便地制造金刚石，而且还可以全面地了解这个过程，而不是仅仅是模仿天然金刚石形成的高压高温。 研究人员模拟地球中心的压力，将金刚石挤压成粉末，用激光加热样品，通过一系列测试来检查结果，并运行计算机模型解释转变是如何形成的，试图回答笼子的结构或数量是否会影响类金刚石转化为金刚石的过程。研究发现这种名为triamantane的三笼状菱形结构可以在极低能量的情况下自行重组。在900开尔文（大约是1160华氏度或炽热熔岩的温度）和20亿帕的压力下（十万倍地球大气压），triamantane的碳原子对齐，氢分散或消失。这种转变在极短的时间内进行，而且也是直接的形成，不会转变成另一种形式的碳。
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