发表时间: 2018年4月

文章标题: Ultralarge Elastic Deformation of Nanoscale Diamond

发表期刊: Science

文章引用: Banerjee et al., Science 360, 300–302 (2018)

 

传统上，我们认为钻石 (金刚石)是最坚硬的材料，

原因在先前的文章 http://swospam0418.pixnet.net/blog/post/462736097 便提到，

是因为结构中的碳都是以饱和的单键互相键结而形成网状共价键，因而非常坚硬

所以在此之前，一般都认为钻石是脆而不具有弹性的。

不过在新一期的 <Science>期刊中登出一篇文章，

由香港城市大学、麻省理工、蔚山科学技术员等机构的研究人员发现，

在奈米尺度 (约300奈米)下，金刚石具有承受形变并回复原状的能力，

尤其单晶奈米金刚石能达到9%的弹性拉伸应变，改变我们对金刚石的传统认知。

进一步结合模拟与断裂前/后的微结构鉴定，

研究人员将此特性归因于奈米尺度单晶金刚石的结构特性与表面特性，

使其能表现出巨观尺度的金刚石无法达到的特殊性质。

 

奈米尺度金刚石奈米针的制备，是将钻石薄膜以CVD镀在矽基板后，再利用电浆蚀刻，

透过参数的适当调整，能从<111>方向的薄膜得到单晶金刚石奈米针(nanoneedle)。

为了在奈米尺度下验证金刚石的力学性质，研究团队以「奈米压痕」(nanoidentation)技术，

运用cuber corner (如下图) 探针的某一面对金刚石奈米针施加应力，

并以SEM进行 in-situ观察。

实验结果基本上就有如照片中所示，他们成功让金刚石nanoneedle产生形变，

并且在移除应力后还是能回复原状，是为弹性应变。

进一步进行定量鉴定，发现单晶金刚石奈米针的弹性应变可达到9%，

这是巨观尺度下的金刚石不可能发生的事。

(下图的实验中，奈米针间在水平方向的偏斜距离达442nm，为奈米针长度的19%，

再继续施加应力的话就会产生裂痕而使样品断裂)

相较於单晶金刚石奈米针能达到9%的应变，对多晶金刚石奈米针做同样的测试，

发现只能达到3.5%的弹性应变，不过还是远高于巨观尺度金刚石的0.3%弹性应变，

研究团队在针对多个样品做出测试后做出比较图。

透过对断裂前后的奈米针样品进行原子尺度的高解析度TEM微结构分析，

发现金刚石奈米针能拥有这么特别的性质有两个原因。

一是金刚石奈米针的奈米级尺寸，缺陷或裂口的浓度都远比微米级尺寸的样品还要少，

错位的成核受到限制，潜在的错位因子也极少，

即便是原本就存在的极少数错位，这些错位能移动的距离也极短，因此也就难以结合，

让diamond nanoneedle成为「超强度材料」 (ultra-strength material)，

能够达到10%甚至更高的理论机械强度 (定义为0K下的完全晶体拥有的机械强度)。

另一个原因是单晶金刚石的完美晶体结构使其在弯曲过程中能避免缺陷发生，

加上光滑的表面性质，光滑的性质使其更难生成键结断裂引致的匀相成核，

以致于裂痕才表面更难生成，一旦有裂痕，应力的集中会让材料马上碎裂，

光滑的表面得以避免这个情况，所以金刚石nanoneedle才会有这么特别的结果。

金刚石本身就因为独特的光学、热力学、电磁学特性、生物相容性而拥有多元的应用，

比方说，金刚石奈米针被用来刺激细胞输送，造成细胞膜的破坏，这种特性能用在药物输送上，

甚至是基因疗法中将DNA与RNA 送入细胞。

另外，钻石有「氮原子空缺中心」 (negatively charged nitrogen vacancy) (NV-)特性，

我们皆知钻石的结构是由纯粹的碳原子组成，而NV-本身是一种缺陷现象，

当一个碳原子从结构中消失形成defect，又邻近的碳原子被氮原子给取代，就成为NV-, 

利用磁场来改变氮原子空缺中心的电子自旋方向，

就能形成量子运算的运算元，或是储存资料等。

如今证实金刚石在奈米尺度下能展现截然不同的机械性质，

将更加扩大金刚石在这些领域的应用潜力。

 

其它参考文献: 

Dhomkar, Siddharth, et al. Science advances 2.10 (2016): e1600911.

Chen, Xianfeng, and Wenjun Zhang. ​​​​​​​Chemical Society Reviews 46.3 (2017): 734-760. ​​​​​​​