哈工大郑州研究院在CVD法制备纯净分散纳米金刚石技术领域取得重要进展

日期:2024-03-14 阅读:293
核心提示:纳米金刚石(ND)主要通过爆轰或高压高温(HPHT)方法获得。它们通常被非金刚石外壳包裹,从而导致发射猝灭和色心不稳定。此外,

 纳米金刚石(ND)主要通过爆轰或高压高温(HPHT)方法获得。它们通常被非金刚石外壳包裹,从而导致发射猝灭和色心不稳定。此外,含氧和氮的颗粒表面上的官能团导致硬团聚。纳米金刚石可以在高温高压金刚石粉碎后获得,它们具有锋利的边缘,在工作环境中会划伤表面并含有金属杂质。这两种技术都很耗时。其他制备纳米金刚石的方法包括高能球磨、激光冲击波等。

通常,CVD制备的纳米金刚石直接在基底或晶种基底上成核,并且成核和生长过程在生长环境中连续发生,从而导致颗粒之间容易形成互连。考虑到独立颗粒,必须在它们接触之前停止生长,这将导致产量低。此外,由于颗粒对基材的粘附力很强,因此难以收集。由于这些方法的局限性,必须开发新的制备方法。在微波等离子体辅助化学气相沉积 (MPCVD) 生长环境中,金刚石可能能够在气相中成核。然而,成核环境和生长机制尚未得到进一步研究。

近日,哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体团队使用微波等离子体辅助化学气相沉积(MPCVD)技术,通过调控等离子体状态进行气相成核,制备的纳米金刚石具有高分散、纯度高、形状可控性好、缺陷密度低等优点,大大促进了纳米金刚石在高精尖应用领域的应用竞争力。相关研究成果以“Vapor phase nucleation and sedimentation of dispersed nanodiamonds by MPCVD”为题发表于《Powder Technology》,并获得中国发明专利。

图1. (a)测量等离子体的OES和滤波片观测方法示意图;(b)钼托盘示意图;(c)钼托盘和钼柱的相对位置。

 

图2. (a) 未使用MoC时Hα的空间分布 (b)使用MoC时Hα的空间分布

 

 图3. (a)未使用MoC制备的NDs的SEM;(b-d)使用MoC制备的NDs的SEM&TEM

 

图4. (a)在使用MoC前后纳米金刚石的拉曼图谱;(b)在使用MoC前后纳米金刚石的XRD图谱;(c)纳米金刚石分散液

应用前景

目前,纳米金刚石凭借其高比表面积、性质稳定、电化学窗口宽等、表面基团可修饰性、稳定色心等优异的性能被应用在精密抛光、电化学(药物检测、污水处理、环境监测等)、生物医学(医药美肤、生物荧光成像、药物运输、基因治疗、癌症诊断与治疗等)、量子光学(单光子光源)等前沿领域。

图5. 利用纳米金刚石内NV色心的超灵敏荧光标记功能开发的超敏感体外HIV诊断试纸

应用环境要求纳米金刚石具有不同的形貌。具有规则晶型纳米金刚石,由于可以为色心提供高质量环境,因此在量子器件、生物荧光标记成像、量子医学诊断等方面有广阔的发展空间。

图6. 荧光纳米金刚石的表面修饰与目标底物特异性结合,以及结合lock-in算法的纳米金刚石与传统纳米金颗粒的信噪比对比

球形的纳米金刚石,不仅具有极高的比表面积,稳定性和生物相容性,而且不会划伤应用物体表面,如生物体皮肤,血管以及精密器件等,可通过 化学修饰负载携带药物,在美容护肤、药物运输、靶向治疗、电化学监测传感领域等具有极高应用价值。 

研究人员通过设计钼托盘的结构,调控等离子体中基团的分布,为纳米金刚石创造气相形核空间。这种方法制备的纳米金刚石颗粒相比爆轰法和HPHT法更加纯净,突破了传统CVD法制备的纳米金刚石产量与薄膜形态限制,颗粒不仅产量高,保持分散并具有高的结晶度,在药物运输、生物成像、量子光源等领域具有极强的应用竞争力。

(来源:海光智能科技)

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