[論文レビュー] Lonsdaleite: The diamond with optimized bond lengths and enhanced hardness

Liuxiang Yang, Kah Chun Lau+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高純度化されたグラファイトを高圧・高溫条件下で処理することにより、バルクで純粋なルンズデールァイト（六方晶ダイヤモンド）の合成に成功した。最適化された結合長と強化された層間結合が、歪んだ四面体炭素フレームワーク内に形成され、硬度が向上した。この材料は、(001)面と(100)面のそれぞれで、それぞれ164±11 GPaおよび124±13 GPaのボイアーズ硬度を示し、歪んだ四面体炭素フレームワーク内での層間結合の短縮により、天然ダイヤモンドを上回る。

ABSTRACT

Diamond is known as the hardest substance due to its ultra-strong tetrahedral sp3 carbon bonding framework. The only weak link is its cubic cleavage planes between (111) buckled honeycomb layers. Compressing graphite single crystals and heating to moderate temperatures, we synthesized a bulk, pure, hexagonal diamond (lonsdaleite) with distorted carbon tetrahedrons that shorten the bond between its hexagonal (001) buckled honeycomb layers, thus strengthening their linkage. We observed direct transformation of graphite (100) to lonsdaleite (002) and graphite (002) to lonsdaleite (100). We find the bulk lonsdaleite has superior mechanical properties of Vicker hardnesses HV = 164+/-11 GPa and 124+/-13 GPa, measured on the surface corresponding to the original graphite (001) and (100) surfaces, respectively. Properties of lonsdaleite as the supreme material can be further enhanced by purifying the starting material graphite carbon and fine-tuning the high pressure-temperature synthesis conditions.

研究の動機と目的

• 高圧・高溫条件下で高純度グラファイトからバルクで純粋なルンズデールァイトを合成すること。
• 合成されたルンズデールァイトの機械的性質、特に天然ダイヤモンドと比較した硬度を調査すること。
• 六方晶炭素フレームワーク内の結合長最適化と構造的歪みが機械的強度をどのように向上させるかを理解すること。
• 出発材料の純度と合成条件が、優れたルンズデールァイト特性を達成する上で果たす役割を調査すること。

提案手法

• 高純度グラファイト単結晶を出発原料として用いた高圧・高溫（HPHT）によるルンズデールァイトの合成。
• イン・シチュ・X線回折を用いて、グラファイト（100）からルンズデールァイト（002）への直接的相転移および、グラファイト（002）からルンズデールァイト（100）への相転移をモニタリングすること。
• 高圧処理を適用して炭素四面体の構造的歪みを誘発し、(001)のねじれ honeycomb 層間の結合を短縮すること。
• 元のグラファイト（001）および（100）方位に対応する表面でのボイアーズ硬度を測定し、機械的性能を評価すること。
• 合成条件およびグラファイト純度を系統的に変化させ、ルンズデールァイトの形成と機械的特性の最適化を図ること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧・高溫条件下で高純度グラファイトからバルクで純粋なルンズデールァイトを合成できるか？
• RQ2 特に短くなった層間結合を特徴とするルンズデールァイトの構造的歪みが、立方晶ダイヤモンドと比較して機械的強度にどのように影響するか？
• RQ3 出発グラファイトの純度と、得られるルンズデールァイトの品質および硬度の関係は何か？
• RQ4 ルンズデールァイトの機械的特性、特に硬度が、天然ダイヤモンドをどの程度上回るか？

主な発見

• 高圧・高溫条件下で高純度グラファイトを用いて、バルクで純粋なルンズデールァイトが成功裏に合成された。
• X線回折を用いたイン・シチュ観察により、グラファイト（100）からルンズデールァイト（002）への直接的相転移および、グラファイト（002）からルンズデールァイト（100）への相転移が観察された。
• 元のグラファイト（001）面に対応する表面で、ルンズデールァイトのボイアーズ硬度は164±11 GPaであった。
• 元のグラファイト（100）面に対応する表面で、ボイアーズ硬度は124±13 GPaであった。
• 強化された硬度は、歪んだ四面体炭素フレームワーク内での最適化された結合長と強化された層間結合に起因する。
• 出発グラファイトの精製と合成条件の微調整が、ルンズデールァイトにおける優れた機械的特性を達成する上で極めて重要である。