酸化グラフェンから創製する機能性ダイヤモンドの開発

开发由氧化石墨烯制成的功能性金刚石

基本信息

批准号：
21J15902
负责人：
福田将大
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Kumamoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J15902/
关键词：
酸化グラフェンダイヤモンド

项目摘要

純粋なダイヤモンドは電気絶縁体だが、ホウ素をわずかにドープしたダイヤモンドは青色となり、半導体になる。さらにホウ素をドープしたダイヤモンドは黒色となり、超伝導を示すことが報告されている。このようにダイヤモンド中の異種元素のドープ量を制御することで電気伝導特性や発色といった物性を制御することが可能である。本研究ではダイヤモンド合成の前駆体としてナノ炭素材料である酸化グラフェン（GO）の利用を試みた。GOが有する豊富な酸素官能基は高い反応性を示すことから、効率よく原子をドープすることが可能であり、これを原料とすることで様々な機能を有するダイヤモンドの合成を目指した。パルス的に高温高圧を発生させる衝撃圧縮実験は、ダイヤモンド合成のユニークなプロセスとして注目されている。本年度は、還元型酸化グラフェン(rGO)を用いた衝撃圧縮実験により、ダイヤモンドの合成条件を検討した。48.6GPaの瞬間圧力では、ヒートシンクとして使用した銅の近傍（30μm）にのみダイヤモンドへの転移が見られた。一方、より高い圧力である68.2GPaでは、銅の近傍だけでなく、ダイヤモンドへの遷移が起こることがわかった。グラファイト箔を用いた対照実験では、68.2GPaでもダイヤモンドへの遷移は観察されなかった。この違いは、rGOとグラファイト箔の結晶性の違いによるものと考えられる。GOを再積層したrGO膜は比較的結晶性が低く、衝撃圧縮によるダイヤモンド合成に有利である。rGOは、還元段階でさまざまな異種原子を選択的にドープすることで製造することができる。したがって、衝撃圧縮法による異種原子ドープダイヤモンドの合成において、rGOを原料として使用することは、他の炭素材料を原料として使用するよりも有用であるといえる。

纯金刚石是电绝缘体，但轻掺杂硼的金刚石会变成蓝色并成为半导体。此外，据报道，掺硼的金刚石会变黑并表现出超导性。这样，通过控制金刚石中不同元素的掺杂量，就可以控制导电性、显色性等物理性能。在这项研究中，我们尝试使用氧化石墨烯（GO）这种纳米碳材料作为金刚石合成的前体。 GO拥有的丰富的氧官能团表现出高反应性，使得有效地掺杂原子成为可能，并以此为原料，我们的目标是合成具有各种功能的金刚石。在脉冲中产生高温和高压的冲击压缩实验作为金刚石合成的独特工艺而引起人们的关注。今年，我们通过使用还原氧化石墨烯 (rGO) 的冲击压缩实验研究了金刚石合成条件。在 48.6 GPa 的瞬时压力下，仅在用作散热器的铜附近（30 μm）观察到向金刚石的转变。另一方面，在68.2 GPa的较高压力下，发现向金刚石的转变不仅发生在铜附近。在使用石墨箔的对照实验中，即使在 68.2 GPa 的压力下也没有观察到向金刚石的转变。这种差异被认为是由于 rGO 和石墨箔之间的结晶度差异造成的。重新堆叠GO得到的rGO薄膜结晶度相对较低，有利于冲击压缩合成金刚石。 rGO可以通过在还原步骤中选择性掺杂各种外来原子来生产。因此，可以说，以rGO为原料，通过冲击压缩法合成杂原子掺杂金刚石，比以其他碳材料为原料更有用。