共價金剛石-石墨，又被稱為共價diaphite或gradia，集合了金剛石和石墨的性質優勢，能夠實現超硬、極韌、導電等優越性能組合，極具研究和發展價值。由于diaphite共價界面能高，目前主要通過高溫高壓方法來活化碳原子，實現該材料的構筑。等離子體化學氣相沉積（CVD）是金剛石面向功能材料應用的主要發展方向，借助CVD技術構筑共價diaphite材料并探索金剛石和石墨兩相界面的新奇物性受到研究人員的關注。
中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心黃楠研究員團隊與國外學者合作，利用等離子體CVD技術制備了共價diaphite材料，并基于該材料開展了限域雙電層電容（Advanced Energy Materials 2023, 13, 2300716）和高效電催化研究（Advanced Energy Materials 2023, 13, 2301749）。近期，該團隊進一步揭示了等離子體CVD構筑共價diaphite材料的生長機理，數值仿真結果表明，等離子體電子密度增加至1.46 × 1017 m-3，為活化碳原子并以石墨形式與金剛石共價連接提供能量。透射電子顯微鏡表明金剛石(111)面和石墨(0001)面以3 : 2 和 2 : 2的對應關系共價連接，與高溫高壓方法構筑的共價diaphite界面不同。電子能量損失譜闡明界面處石墨中電子密度增加，具有sp2/sp3碳混合雜化特征，表明金剛石和石墨在共價鍵界面上擁有強相互作用。第一性原理計算揭示強相互作用界面誘使電子從金剛石相向石墨相轉移，進而調變了界面碳的電子性質，引發石墨在Fermi能級附近的態密度異常增加，并在金剛石的導帶底引入局域能級，致使共價diaphite材料陰極發光特征峰比氫終端金剛石材料藍移430 meV。這項研究工作深入理解了等離子體CVD構筑共價diaphite材料，并進一步拓展了對調制金剛石電子性質的認識，為開發先進金剛石電子器件提供基礎參考。
相關結果以“Covalently-bonded diaphite nanoplatelet with engineered electronic properties of diamond”為題，于近期受邀發表于《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊。金屬所副研究員翟朝峰為第一作者，特別研究助理張楚燕博士為第二作者，黃楠研究員等為通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、金屬所創新基金培育項目和中國科學院儀器設備功能開發技術創新項目的資助。
圖1. 等離子體CVD技術構筑共價diaphite材料
圖2. 利用電子能量損失譜、第一性原理計算和陰極發光分析共價diaphite材料電子性質
