納米金剛石(ND)主要通過爆轟或高壓高溫(HPHT)方法獲得。它們通常被非金剛石外殼包裹，從而導(dǎo)致發(fā)射猝滅和色心不穩(wěn)定。此外，含氧和氮的顆粒表面上的官能團(tuán)導(dǎo)致硬團(tuán)聚。ND可以在高溫高壓金剛石粉碎后獲得，它們具有鋒利的邊緣，在工作環(huán)境中會劃傷表面并含有金屬雜質(zhì)。這兩種技術(shù)都很耗時。其他制備ND的方法包括高能球磨、激光沖擊波等。
通常，CVD制備的ND直接在基底或晶種基底上成核，并且成核和生長過程在生長環(huán)境中連續(xù)發(fā)生，從而導(dǎo)致顆粒之間容易形成互連。考慮到獨(dú)立顆粒，必須在它們接觸之前停止生長，這將導(dǎo)致產(chǎn)量低。此外，由于顆粒對基材的粘附力很強(qiáng)，因此難以收集。由于這些方法的局限性，必須開發(fā)新的制備方法。在微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積 (MPCVD) 生長環(huán)境中，金剛石可能能夠在氣相中成核。然而，成核環(huán)境和生長機(jī)制尚未得到進(jìn)一步研究。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)紅外薄膜與晶體團(tuán)隊(duì)使用微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(MPCVD)技術(shù)，通過調(diào)控等離子體狀態(tài)進(jìn)行氣相成核，制備的NDs具有高分散、純度高、形狀可控性好、缺陷密度低等優(yōu)點(diǎn)，大大促進(jìn)了NDs在高精尖應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用競爭力。
相關(guān)研究成果以“Vapor phase nucleation and sedimentation of dispersed nanodiamonds by MPCVD”為題發(fā)表于《Powder Technology》，并獲得中國發(fā)明專利。
/ 圖文導(dǎo)讀 /
圖1. (a)測量等離子體的OES和濾波片觀測方法示意圖;(b)鉬托盤示意圖;(c)鉬托盤和鉬柱的相對位置。
圖2. (a) 未使用MoC時Hα的空間分布 (b)使用MoC時Hα的空間分布
圖3. (a)未使用MoC制備的NDs的SEM;(b-d)使用MoC制備的NDs的SEM&TEM
圖4. (a)在使用MoC前后納米金剛石的拉曼圖譜;(b)在使用MoC前后納米金剛石的XRD圖譜;(c)納米金剛石分散液
/ 應(yīng)用前景 /
目前，納米金剛石憑借其高比表面積、性質(zhì)穩(wěn)定、電化學(xué)窗口寬等、表面基團(tuán)可修飾性、穩(wěn)定色心等優(yōu)異的性能被應(yīng)用在精密拋光、電化學(xué)(藥物檢測、污水處理、環(huán)境監(jiān)測等)、生物醫(yī)學(xué)(醫(yī)藥美膚、生物熒光成像、藥物運(yùn)輸、基因治療、癌癥診斷與治療等)、量子光學(xué)(單光子光源)等前沿領(lǐng)域。
圖5. 利用納米金剛石內(nèi)NV色心的超靈敏熒光標(biāo)記功能開發(fā)的超敏感體外HIV診斷試紙
應(yīng)用環(huán)境要求納米金剛石具有不同的形貌。具有規(guī)則晶型納米金剛石，由于可以為色心提供高質(zhì)量環(huán)境，因此在量子器件、生物熒光標(biāo)記成像、量子醫(yī)學(xué)診斷等方面有廣闊的發(fā)展空間。
圖6. 熒光納米金剛石的表面修飾與目標(biāo)底物特異性結(jié)合，以及結(jié)合lock-in算法的納米金剛石與傳統(tǒng)納米金顆粒的信噪比對比
球形的納米金剛石，不僅具有極高的比表面積，穩(wěn)定性和生物相容性，而且不會劃傷應(yīng)用物體表面，如生物體皮膚，血管以及精密器件等，可通過 化學(xué)修飾負(fù)載攜帶藥物，在美容護(hù)膚、藥物運(yùn)輸、靶向治療、電化學(xué)監(jiān)測傳感領(lǐng)域等具有極高應(yīng)用價值。
總結(jié)
研究人員通過設(shè)計(jì)鉬托盤的結(jié)構(gòu)，調(diào)控等離子體中基團(tuán)的分布，為納米金剛石創(chuàng)造氣相形核空間。這種方法制備的納米金剛石顆粒相比爆轟法和HPHT法更加純凈，突破了傳統(tǒng)CVD法制備的納米金剛石產(chǎn)量與薄膜形態(tài)限制，顆粒不僅產(chǎn)量高，保持分散并具有高的結(jié)晶度，在藥物運(yùn)輸、生物成像、量子光源等領(lǐng)域具有極強(qiáng)的應(yīng)用競爭力。
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