8月13日，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)室消息稱，燕山大學(xué)在新型非晶碳材料研究方面取得重要進(jìn)展。

近日，由燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高壓科學(xué)中心田永君院士課題組趙智勝等人與國(guó)內(nèi)外科學(xué)家合作，在新型非晶碳材料研究方面取得重要進(jìn)展。研究成果以“Discovery of carbon-based strongest and hardest amorphous material”為題，在2021年8月5日的《National Science Review》上在線發(fā)表。

（A）非晶碳的硬度；（B）與其他非晶材料的硬度對(duì)比；（C）用AM-III非晶碳刻劃金剛石（001）面留下的劃痕

碳是構(gòu)成有機(jī)生命體的基礎(chǔ)元素，對(duì)人類的生存、日常生活和物質(zhì)生產(chǎn)均發(fā)揮著不可或缺的獨(dú)特作用。碳具有多種同素異形體，目前已知的有石墨、金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔等。這些碳同素異形體展現(xiàn)出了非常獨(dú)特的物理化學(xué)特性，它們的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了科技的發(fā)展。一直以來，人們探索新型碳材料的腳步從未停止過。

在本研究中，他們采用富勒烯C60在高溫高壓下截獲了一種sp2-sp3混合雜化的新型非晶碳（AM-III）材料。這種非晶碳內(nèi)部的sp3成分高達(dá)94 %，結(jié)構(gòu)中的無序單元平均尺寸約為4 ?，衍射信息表明其結(jié)構(gòu)主要由類金剛石四面體無序連接構(gòu)成，沒有類石墨的組織結(jié)構(gòu)，與前人報(bào)道過的非晶碳結(jié)構(gòu)明顯不同。

AM-III的密度高達(dá)3.30 g/cm3，與金剛石相當(dāng)；其維氏硬度HV高達(dá)113 GPa，努氏硬度為72 GPa，可刻劃單晶金剛石的（001）面（HV=103 GPa）；其納米壓痕硬度為103 GPa，高于文獻(xiàn)報(bào)道的類金剛石非晶碳薄膜（ta-C）的最高硬度值；其微米尺度柱體的壓縮強(qiáng)度高達(dá)70 GPa，與金剛石相媲美。因此，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最硬、最強(qiáng)的非晶材料。此外，這種非晶碳是一類光學(xué)透明的半導(dǎo)體材料，帶隙介于1.5-2.2 eV之間，與最常用的半導(dǎo)體非晶硅（a-Si:H）薄膜的帶隙相當(dāng)，在光伏領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。該成果已獲得中國(guó)發(fā)明專利（專利號(hào)：ZL201910085279.0）和日本專利（專利號(hào)：JP2020-009244）授權(quán)。

該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （52090020、51722209、51672238、91963203、52025026、51525205、U20A20238）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 （2018YFA0703400）的資助。