[논문 리뷰] Lonsdaleite: The diamond with optimized bond lengths and enhanced hardness

Liuxiang Yang, Kah Chun Lau외 13명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 17.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고순도 고온고압 처리를 통해 균일한 룬스데이트라이트—육각형 다이아몬드—의 bulk, 순수 합성을 입증한다. 최적화된 결합 길이와 강화된 다층 간 결합을 통해 경도가 향상되었으며, 이 물질은 (001) 표면에서 164±11 GPa, (100) 표면에서 124±13 GPa의 비커스 경도를 나타내어, 비틀린 테트라헤드랄 탄소 구조에서 단축된 다층 간 결합으로 자연 다이아몬드를 초월한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고순도 고형물에서 고압-고온 조건 하에 bulk, 순수한 룬스데이트라이트를 합성하는 것.
• 합성된 룬스데이트라이트의 기계적 성질, 특히 자연 다이아몬드와의 비교에서의 경도를 조사하는 것.
• 육각형 탄소 구조에서의 결합 길이 최적화와 구조적 비대칭이 기계적 강도를 어떻게 향상시키는지 이해하는 것.
• 시작 물질 순도와 합성 조건이 뛰어난 룬스데이트라이트 성질을 얻는 데 미치는 역할을 탐색하는 것.

제안 방법

• 고순도 고형물 단결정을 시작 물질로 사용하여 고압-고온(HPHT)으로 룬스데이트라이트를 합성하는 것.
• 고압-고온 조건에서 고체 상태에서의 직접 상전이를 모니터링하기 위해 실시간 X선 회절을 적용하여 고형물 (100) → 룬스데이트라이트 (002) 및 고형물 (002) → 룬스데이트라이트 (100)의 전이를 관찰하는 것.
• 탄소 테트라헤드론의 비틀림을 유도하기 위해 고압 기법을 적용하여 (001) 굽은 밀도 구조의 다층 간 결합 길이를 단축시키는 것.
• 원래 고형물 (001) 및 (100) 정렬에 대응하는 표면에서 비커스 경도를 측정하여 기계적 성능을 평가하는 것.
• 합성 조건과 고형물 순도를 체계적으로 변화시켜 룬스데이트라이트 형성과 기계적 성질 최적화를 위한 연구를 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고순도 고형물에서 고압-고온 조건 하에 bulk, 순수한 룬스데이트라이트를 합성할 수 있는가?
• RQ2 룬스데이트라이트의 구조적 비대칭, 특히 단축된 다층 간 결합이 삼차원 다이아몬드와 비교해 기계적 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시작 고형물의 순도와 최종 룬스데이트라이트의 품질과 경도 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ4 룬스데이트라이트의 기계적 성질, 특히 경도가 자연 다이아몬드를 얼마나 초월하는가?

주요 결과

• 고압-고온 조건 하에서 고순도 고형물에서 bulk, 순수한 룬스데이트라이트를 성공적으로 합성하였다.
• 실시간 X선 회절을 통해 고형물 (100) → 룬스데이트라이트 (002) 및 고형물 (002) → 룬스데이트라이트 (100)의 직접 상전이가 관찰되었다.
• 원래 고형물 (001) 평면에 대응하는 표면에서 룬스데이트라이트의 비커스 경도는 164±11 GPa로 측정되었다.
• 원래 고형물 (100) 평면에 대응하는 표면에서 비커스 경도는 124±13 GPa로 측정되었다.
• 향상된 경도는 비틀린 테트라헤드랄 탄소 구조에서 최적화된 결합 길이와 강화된 다층 간 결합으로 기인한다.
• 시작 고형물의 순도 향상과 합성 조건의 정밀 조절이 룬스데이트라이트의 뛰어난 기계적 성질을 달성하는 데 핵심적이다.