金剛石不僅是光彩奪目的珠寶，也是未來光電子器件的重要基礎材料。與天然鉆石的稀缺一樣，人造金剛石獲取也十分困難！人造金剛石通常需要高溫高壓，且大面積制備十分困難，這極大地限制了其廣泛應用。

材料科學與工程學院胡曉君教授團隊關注到金剛石薄膜的化學氣相沉積過程中，與石墨相比處于熱力學亞穩態的金剛石能夠在低壓下形成，其獨特的形成機制可能蘊藏著一種合成大面積金剛石的方法。然而，化學氣相沉積的生長環境復雜，難以實現原位表征，因此該沉積過程中金剛石的形成機制一直是一個亟待解決的難題。

針對這個關鍵的機理性問題，胡曉君教授團隊利用緩慢生長的方法“復原”了化學氣相沉積金剛石的生長過程。以“菜花”狀的納米金剛石顆粒為模板，采用一系列短時間生長的策略，形成瞬時的生長薄層，可采用HRTEM直接觀測，避免了常規高能離子轟擊制樣所導致的結構損壞，難以觀察真實結構的問題。該工作發現化學氣相沉積過程中金剛石的形成是由石墨在低壓下的相變而成，并非傳統觀念中認為金剛石結構是由碳原子直接堆積形成；氣氛中的氫、氧和單分散鉭原子在低壓石墨/金剛石相變中起關鍵作用。該結果為基于石墨在常壓下制備大面積金剛石提供了理論基礎，也為理解其他具有 sp2 和 sp3 電子構型的材料的生長機制提供了一個新角度。

上述研究成果以“Diamond formation mechanism in chemical vapor deposition” 為題于2022年4月13日被最新一期《美國國家科學院院刊》在線報道。浙江工業大學為論文的唯一通訊單位，浙江工業大學胡曉君教授為唯一通訊作者，團隊成員蔣梅燕博士和陳成克博士為共同第一作者。

文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2201451119

研究得到國家自然科學基金聯合重點項目(U1809210)、國家重點研發計劃項目(2016YFE0133200)、國家國際科技合作計劃項目(2014DFR51160)、浙江省重點研發計劃項目一帶一路國際合作項目(2018C04021)、國家自然科學基金項目(50972129、50602039、11504325、52002351、 52102052)和浙江省自然科學基金項目(LQ15A040004、LY18E020013、LGC21E020001)資助。

《美國國家科學院院刊》是美國國家科學院的官方學術周刊，主要出版前沿研究報告、述評、綜述、前瞻、學術討論會論文等，是全球最負盛名的基礎科學領域的學術雜志之一。

 “菜花”狀的金剛石顆粒及在其上短時生長透射電鏡可穿透的薄層

“菜花”狀納米金剛石表面石墨烯-金剛石循環往復生長過程的掃描電鏡和Raman光譜

 “菜花”狀納米金剛石表面石墨烯-金剛石循環往復生長過程的透射電鏡圖

Ta, H和O促進低壓點“石”成“鉆”計算圖