中国科学家合成百微米级六方金刚石

近日，北京高压科学研究中心的杨留响研究员，杨文革研究员，毛河光院士与中国科学院西安光机所罗端研究员带领的国际研究团队成功合成了百微米-毫米级的六方金刚石类单晶块体样品，并结合多种表征手段多维度证实了六方金刚石的合成，终结了过去60多年关于六方金刚石宏观存在的争议。另外，该研究表明，相对于只有一种碳-碳键长的立方金刚石，由石墨在高温高压条件下直接转化得到的六方金刚石层内，层间具有两种不同的键长分布，而且层间间距更短，这种特殊的碳-碳组合方式赋予六方金刚石更多的应用潜能。

大众所熟知的自然界已知最硬的物质金刚石为ABCABC...堆垛的立方体结构。约60年前，科学家在陨石样本中发现了一种新型金刚石同素异形体-六方结构的金刚石，它具有ABAB...层状堆垛结构。理论预测其机械性能将显著超越立方金刚石，这些潜在的优异性能使其成为了材料科学领域的研究热点。

然而，过去60年来，科学家经过无数次的实验尝试，都未能在实验上合成纯相的块体六方金刚石。甚至近20多年来，不断有声音开始质疑六方金刚石的存在，认为它只是具有堆垛缺陷的立方金刚石。

经过近十年的持续攻关，研究团队通过40余次系统性实验探索，最终在金刚石对顶砧和大腔体压机装置中合成六方金刚石方向取得了突破性进展。研究采用高质量石墨单晶为前驱体，在准静水压环境下通过精确控制压力（20 GPa）、温度（2073 K）条件，成功制备出尺寸达百微米至毫米级的高纯度六方金刚石样品。

左图为常见金刚石的碳原子结构排列，右图为六方金刚石的碳原子排列

研究通过原位单晶X射线衍射技术，首次在原子尺度揭示了石墨向六方金刚石转变的晶体学路径，明确了其相变机制。综合运用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、X射线拉曼光谱、电子能量损失谱（EELS）及紫外拉曼光谱等多尺度表征手段，确证了六方金刚石的sp³杂化特性，证实其与立方金刚石具有相同的化学键合方式，但键长呈现出双键长特征。

维氏硬度测试表明，六方金刚石展现出与立方金刚石相当的力学性能，为其在超硬材料领域的应用提供了直接证据。

论文第一作者、北京高压科学研究中心研究员杨留响介绍，高纯度六方金刚石的合成，归功于两项关键技术：一是选择纯度高、无杂质的天然石墨单晶，有助于得到纯度更高、微米级大小、结构有序的六方金刚石样品；二是采用恰当的探测手段——研发人员给石墨晶体不断加压，并用高压原位X光观测样品变化，避免了密堆积面的滑移，最终制得纯净、未变形的六方金刚石块体。

论文通信作者杨文革表示：“高分辨拉曼光谱和透射电子显微镜的协同表征明确显示六方金刚石具有独特的双态键长特征：其层内碳-碳键长为1.58 Å，而层间键长缩短至1.50 Å。这种结构特征使得六方金刚石的密堆积面通过更短、更强的碳-碳键相互连接，从本质上客服了立方金刚石{111}面因键密度不足而易发生滑移的结构缺陷。这一发现从原子键合机制上阐明了六方金刚石可能具有优于立方金刚石的力学性能和热稳定性，为极端条件下的应用提供了新的材料选择。”

高压物理学家、中科院外籍院士毛河光表示：“尽管六方金刚石相已被发现逾半个世纪，其本质谜团一直未完全被破解。过去近十年时间里，我们通过多次的温压参数调整，40多次重复实验，首次实现了对纯净相、高质量六方金刚石晶体的全面解析，为硬度等机械性能测试提供了可靠样本。高质量晶体合成与可靠，全面的测量对一个相，晶体结构的确定同等重要。”