合成鑽石新途徑

鑽石大多是在四萬大氣壓以上的壓力下生成。透過全新的合成技術，奈米鑽石晶體可以在一大氣壓的液態金屬中生長

       天然鑽石是在地函中的高溫高壓下結晶成形。而製造合成鑽石最常見的方法則是利用壓力機模擬這些條件來達到極端壓力。另一種方法在低壓下運作，稱為化學氣相沉積（CVD），指的是在真空中於基板上逐層生長鑽石，這一過程更接近鑽石在星際氣體雲中生長的方式。

       來自韓國蔚山國立科技大學和基礎科學研究所多維碳材料中心的羅德尼·魯夫（Rodney Ruoff）及其同事發現了一種在常壓下生長鑽石的新方法。這種方法涉及甲烷、氫氣，以及熔融金屬催化劑，且比起另外兩種主流的合成方法耗能更少，設備需求也較低 [1]。

       在低於約兩萬大氣壓的壓力下，純碳的穩定形式是石墨。鑽石在這些低壓環境中是動力學穩定的，但在熱力學上並不是最佳選擇。CVD之所以能夠在低壓下生長鑽石而非石墨是因為加入了自由氫，這些氫不斷與形成的石墨反應並將其蝕刻掉，同時允許鑽石生長 [2]。要電離氫氣並產生這些自由氫原子需要許多耗能的技術，例如熱絲、微波或電弧。

        新的液態金屬催化方法與CVD不同，它不使用任何高能量密度的方法來電離氫氣，且鑽石是在液態金屬混合物中生長的，如圖1所示，而不是被相沉積在固體表面上。此外，和許多CVD方法不同的是，這項新技術不須依賴種子晶體。魯夫表示，液態金屬催化法的低能耗、無需種子晶體的生長特性，以及能夠在大面積表面上塗抹液態金屬的能力，可能使其成為CVD和高壓高溫（HPHT）合成方法之外另一種具有吸引力的替代方案，至少在某些應用中是如此。

圖1.圖中可見到一層鑽石薄膜（淺灰色）透出用來沉澱晶體的金屬混合物表面（深灰色矩形）。（圖片由Yan Gong提供。）

種子晶體
       魯夫開始探索液態金屬催化法的靈感來自科學家們使用液態鎵作為催化劑，從甲烷中生長單層石墨的實驗。通常，打破甲烷中碳氫原子之間的強共價鍵需要很高的活化能，但鎵顯著降低了這一反應障礙，而且催化反應可以在低至50°C的溫度下進行。（純鎵的熔點略低於30°C，僅靠手的溫度就可以使其融化。）此一發現讓魯夫想到，鎵作為催化劑的優勢或許能帶來耗能更低的鑽石合成法。

       在早期試驗中，魯夫和他的同事將熔融金屬倒在含碳氣體環境中的鑽石顆粒上。他們在二氧化矽晶圓（即一種不參與反應的基底）上進行這些實驗。最初，鑽石顆粒並沒有增長——直到在一次實驗中，金屬溢出晶圓，並接觸到邊緣的純矽。不久之後，魯夫實驗室中一位博士生 Yan Gong 注意到鑽石種子上出現了新的金字塔形晶體生長的跡象。

       當研究人員進一步檢查時，他們發現新的鑽石從種子晶體上生長了出來，且這些金字塔的頂部是矽碳化物單晶體。這表示晶圓中的矽溶解到金屬中，並透過某種方式促進了鑽石的生長。

       於是研究人員轉而研究矽的作用，改用石墨坩堝取代矽晶圓作為基底。他們嘗試了不同濃度的矽混合物，發現只要濃度超過1%時都會長出矽碳化物。而在較小濃度下，他們開始觀察到鑽石的生長，但方式出乎預料。在種子晶體上長出了石墨，而鑽石則在石墨坩堝的底部生長。於是，實驗室再次轉移戰場，這次是嘗試無種子生長。

       在他們的新論文中，Gong和同事展示了如何使用鎵、鐵、鎳和矽的混合物來形成鑽石：當這種混合物在含有甲烷和氫氣的腔體中加熱至1025°C，鑽石奈米晶體在15分鐘後開始在石墨坩堝的底部生成，並在150分鐘後形成了連續的鑽石薄膜（見圖2）。雖然研究人員對矽在結核過程中的作用尚不瞭解，但它似乎對實驗的結果至關重要。矽被融入到鑽石的晶格中，且矽濃度的微小變化會導致不同的晶體大小和密度。而當混合物中的矽耗盡，鑽石生長也隨之停止。

圖2.鑽石奈米晶體在常壓下生長後的掃描電子顯微鏡圖像：(a) 生長30分鐘後的情況；(b) 生長150分鐘後，鑽石奈米晶體已經形成了一個連續的薄膜。矽可以幫助碳晶體從液態金屬混合物中結核成晶。（改編自參考資料1。）

克拉之道
       透過新方法生長的多晶鑽石薄膜與珠寶業所珍視的寶石級單晶鑽石相差甚遠。隨著這種方法持續發展，它在製造大尺寸單晶方面可能會有所進步。不過，鑽石不僅僅可以做為首飾。它的許多寶貴特性——包括極端硬度、高導熱率和半導體電子傳輸——使其在多種應用都佔有一席之地。例如，鑽石薄膜可作為耐磨和耐腐蝕的表面，以及積體電路上的散熱片。

       「我們日常生活中的一切都需要鑽石」專門研究奈米鑽石晶體生長的英國卡迪夫大學博士後研究員索門·曼德爾（Soumen Mandal）表示。他說：「例如，你的汽車裡有將近一公里長的電線，這些電線全都是用鑽石工具拉製而成的。」（有關鑽石新興應用的更多資訊，請參見《今日物理學》2022年3月，第22頁。）

       CVD和HPHT是製造寶石級鑽石的常用方法，其中顏色、透明度和大小是關鍵。HPHT霸佔了近99%的合成鑽石市場，並且也是工業用鑽石的首選，如鑽石鑽頭和磨料，這類鑽石可以比珠寶用的鑽石更小、更不純。奈米鑽石晶體的製造還可以透過超音波空穴（ultrasonic cavitation）作用在石墨上，或在金屬圓柱體內引發爆炸以產生所謂的爆炸奈米鑽石（detonation nanodiamonds）。

       在研究和科技應用中，CVD是首選之道，因為其逐層地生長提供了最大的可控性。為了測量磁場（參見《物理學今日》2024年5月，第12頁）或建構量子位元，科學家可以透過特定原子（如氮或矽）創造「缺陷defects 」。在這些高敏感度的應用情境中，即使是最微小的金屬污染也會破壞預期的用途。

按:「缺陷defects 」是指晶體結構中週期性的排列規律被打破的情況。科學家有時故意製造晶體缺陷產生特定的效用。

       曼德爾對液態金屬催化方法能否帶來足夠的優勢以廣泛應用持懷疑態度。他認為CVD和HPHT合成效果良好，並且已經經歷數十年的研究投入。每年都有數十億克拉的合成鑽石被生產出來，其中最大宗就是透過HPHT。

       魯夫計劃持續探索液態金屬催化法，合成的目標不僅僅是鑽石，還包括由其他元素如硼和氮製成的材料。他和他的同事仍在探究實驗中引發鑽石生長的機制。將無法溶解碳的金屬（如鎵）與溶解碳的金屬（如鎳和鐵）混合，可能是個重要因素。（鐵溶解鑽石的效果如此之好，以至於鑽石無法用來切割鐵。）氫在這一過程中的作用也仍不明確。

       魯夫表示，他希望這一結果能激勵其他人往同一方向進行基礎研究。「我認為，如果我們廣泛探索液態金屬，並嘗試各種不同的配置，就算做不出鑽石，也將帶來新的科學。」

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Jul. 2024雜誌內 (Physics Today 77 (7), 14–16 (2024);https://doi.org/10.1063/pt.lapo.etvh)。原文作者：Laura Fattaruso。中文編譯：林祉均，國立清華大學物理所研究生。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Laura Fattaruso and was published in (Physics Today 77 (7), 14–16 (2024);https://doi.org/10.1063/pt.lapo.etvh).The article in Mandarin is translated and edited by J.R Lin（National Tsing Hua University）.