一种制备金刚石莫尔晶格的方法技术

本发明专利技术涉及先进材料制备技术领域，具体涉及一种制备金刚石莫尔晶格的方法。本发明专利技术提供一种制备金刚石莫尔晶格的方法，非金刚石碳在高温高压条件下形成线状莫尔条纹以及六边形莫尔晶格。不同于由两层2D材料在扭转角的情况下堆叠产生莫尔超晶格，本发明专利技术的金刚石体系莫尔晶格结构是在高温高压下合成纳米多晶金刚石过程的中间态，通过巨大的内应力产生上下两层晶面之间的扭角区域从而形成莫尔晶格结构。另外本发明专利技术通过第一性原理计算方法研究上述六边形莫尔晶格的能带结构，发现金刚石莫尔晶格具有形成平带的显著趋势，这对于在金刚石中构筑和研究三维莫尔晶格体系有重要意义。构筑和研究三维莫尔晶格体系有重要意义。构筑和研究三维莫尔晶格体系有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种制备金刚石莫尔晶格的方法


[0001]本专利技术涉及先进材料制备
，具体涉及一种制备金刚石莫尔晶格的方法。

技术介绍

[0002]通过构造人工周期性结构实现对晶体能带及电子态的有效调控长期以来都是凝聚态物理研究中的一个重要方向，最早可以追溯到有关半导体一维超晶格的工作。凝聚态物理和材料科学的新研究方向是二维莫尔材料，莫尔超晶格(MSL)是范德华堆叠的二维(2D)层状材料中的特例，由两层2D材料在一定晶格失配度或扭转角的情况下堆叠产生，这种MSL结构具有新出现的全局对称性和周期性，由于周期性势调制、层间耦合及存在的应变作用，能够导致与构成的2D材料不同的新颖物性(例如转角石墨烯的超导电性)。2018年，来自MIT的研究人员在文献2018Nature 556 80中报道在“魔角”扭曲双层石墨烯(t
‑
BLG)的平带中发现了超导电性和相关绝缘状态，促使了人们对扭曲双层石墨烯、双层石墨烯上的单层石墨烯、过渡金属二硫化物(TMD)同质双层和异质双层等二维莫尔材料的探索。
[0003]另外，在固体材料中，能带结构决定了材料最基本的电学性质，如果材料具有平带结构，即大量量子态具有相似的动能，此时体系将表现出大的电子态密度。因此，平带成为实现众多新奇量子物态的优良平台。目前，对于二维材料，已经发展出外加磁场、构筑应变结构、引入转角等多种实现平带的方法。以上都是关于二维莫尔材料及其平带的研究，但目前鲜有关于三维莫尔材料及其平带的研究，需要进一步研发相关内容。

技术实现思路

[0004]为克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种制备金刚石莫尔晶格的方法，非金刚石碳在高温高压条件下形成线状莫尔条纹以及六边形莫尔晶格，并通过第一性原理计算方法研究六边形莫尔晶格的能带结构，发现金刚石莫尔晶格具有形成平带的显著趋势，这对于在金刚石中构筑和研究三维莫尔晶格体系有重要意义。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]本专利技术提供一种制备金刚石莫尔晶格的方法，非金刚石碳在2400
‑
2600K的高温和6～6.5GP的高压下经100～500h形成线状莫尔条纹以及六边形莫尔晶格。
[0007]优选地，所述非金刚石碳为高纯石墨。
[0008]更优选地，所述非金刚石碳的纯度为99.999％
[0009]非金刚石碳在2400
‑
2600K的高温和高压下会转化形成纳米多晶金刚石，三维的金刚石体系莫尔晶格结构是合成纳米多晶金刚石过程的中间态，此时碳原子的轨道同时具备sp2杂化轨道和sp3杂化轨道的特征，该结构应当处于石墨金刚石相变临界点的石墨一端。这种上下两层晶面之间存在扭角的区域是在高温高压的苛刻条件下产生的。在巨大的内应力作用下，碳前驱体相向金刚石相发生转变，在形成规则均一的金刚石块体过程中，由于温度和应力的分布不均匀，造成部分金刚石以<110>晶向为轴，以{110}面为界面进行扭转，形成在透射电子显微镜下观察到的莫尔晶格结构。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0011]本专利技术提供了一种制备金刚石莫尔晶格的方法，非金刚石碳在高温高压条件下形成线状莫尔条纹以及六边形莫尔晶格。通过测量线状莫尔条纹中原子的晶面间距(约为)以及莫尔条纹间距计算获得线状莫尔条纹中两组晶面之间的夹角：6.8
°
、7.4
°
、8.7
°
、10.2
°
、11.9
°
、14.4
°
。通过测量FFT图像中上下两个晶面对应倒矢量的夹角可以得到六边形莫尔晶格上下两层晶面的夹角为8.98
°
，11.54
°
。然后，本专利技术通过第一性原理计算方法研究六边形莫尔晶格的能带结构，发现金刚石莫尔晶格的带隙相比原始金刚石结构的带隙急剧降低，甚至完全消失(0eV)，并且莫尔晶格的能带结构在费米能级附近出现明显的平带趋势，而且随着转角由11.54
°
降低为8.98
°
，莫尔晶格形成平带的趋势更强。本专利技术为研究金刚石的三维莫尔晶格体系提供一种新的思路，为三维材料构筑莫尔晶格进而形成平带提供潜在的发展方向。
附图说明
[0012]图1是纳米多晶金刚石复合材料的典型微观结构，其中(a
‑
b)为明场像，a中的插图为本工作中使用的纳米多晶金刚石样品光学照片，b中的插图为样品的选区电子衍射花样；c金刚石晶粒的多种微观结构；d为金刚石多型体的维纳滤波图像；e为莫尔条纹的维纳滤波图像；f为莫尔条纹的维纳滤波图像；
[0013]图2是莫尔条纹图像，其中a、c、e、g为纳米金刚石晶粒的透射电子显微镜图像，b、d、f、h为对应纳米金刚石晶粒的线方框中图像的维纳滤波图像；
[0014]图3是莫尔晶格图像；其中a和c为纳米金刚石晶粒的透射电子显微镜图像，b和d为对应纳米金刚石晶粒的线方框中图像的高倍率电子显微镜图像；
[0015]图4是莫尔晶格模型与电子能带结构计算，其中a和c是根据图3b和3d中的莫尔晶格图像构建的正交晶格模型；b和d为对应莫尔晶格模型的能带计算结果。
具体实施方式
[0016]下面对本专利技术的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本专利技术，但并不构成对本专利技术的限定。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0017]下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到的。
[0018]实施例1金刚石莫尔晶格的制备以及研究
[0019]1、纳米多晶金刚石复合材料的制备
[0020]实施例所使用的非金刚石碳是纯度为99.999％的高纯石墨，高纯石墨在2500K的高温和6GP的高压下经300h形成纳米多晶金刚石复合材料，该纳米多晶金刚石复合材料中存在线状莫尔条纹以及与转角双层石墨烯类似的六边形莫尔晶格。
[0021]2、纳米多晶金刚石的研究
[0022]采用透射电子显微镜(型号为FEI Titan themis)分析纳米多晶金刚石，加速电压为200kV，图像分辨率为0.2nm，在测试之前使用FEI Helios UX将样品减薄至60nm的厚度。
[0023]图1显示了纳米多晶金刚石复合材料的典型微观结构，其中图1a和b显示由大量纳
米孪晶组成的紧密结合的纳米颗粒，图1a右上角的纳米多晶金刚石光学照片显示样品为黄色透明块体,图1b右上角选区电子衍射图显示出明显的衍射环，证明样品由纳米多晶金刚石构成；高分辨图像图1c显示了纳米颗粒的细节，其中包括纳米孪晶(TB)、堆叠层错(SF)、金刚石多型体(Diamondpolytype)、莫尔条纹(Moir
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备金刚石莫尔晶格的方法，其特征在于，通过高温高压使非金刚石碳直接形成线状莫尔条纹以及与转角双层石墨烯类似的六边形莫尔晶格。2.根据权利要求1所述的一种制备金刚石莫尔晶格的方法，其特征在于，将非金刚石碳置于2400
‑
2600K的高温和6～6....

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：