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燕山大學成功合成迄今最硬最強的非晶材料，光伏領域具有潛在應用前景

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2021-08-14 14:31:47 字號：A- A A+ 來源：觀察者網(wǎng)

8月13日，燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學實驗室消息稱，燕山大學在新型非晶碳材料研究方面取得重要進展。

近日，由燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學國家重點實驗室高壓科學中心田永君院士課題組趙智勝等人與國內(nèi)外科學家合作，在新型非晶碳材料研究方面取得重要進展。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)成有機生命體的基礎元素，對人類的生存、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)出了非常獨特的物理化學特性，它們的出現(xiàn)極大地推動了科技的發(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)，與前人報道過的非晶碳結(jié)構(gòu)明顯不同。

AM-III的密度高達3.30 g/cm3，與金剛石相當；其維氏硬度HV高達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，高于文獻報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度高達70 GPa，與金剛石相媲美。因此，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最硬、最強的非晶材料。此外，這種非晶碳是一類光學透明的半導體材料，帶隙介于1.5-2.2 eV之間，與最常用的半導體非晶硅（a-Si:H）薄膜的帶隙相當，在光伏領域具有潛在的應用前景。該成果已獲得中國發(fā)明專利（專利號：ZL201910085279.0）和日本專利（專利號：JP2020-009244）授權(quán)。

該成果得到了國家自然科學基金項目（52090020、51722209、51672238、91963203、52025026、51525205、U20A20238）和國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFA0703400）的資助。
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