毫秒脉冲激光下低功率合成纳米金刚石的相变机制

低功率密度激光合成金刚石的相变机理是一项前沿的材料科学研究，由孙景、雷贻文等人在天津大学和天津工业大学合作进行。他们的研究旨在通过创新工艺，提高激光法合成纳米金刚石的效率。传统方法通常使用高功率密度的纳秒脉冲激光，这导致激光与石墨靶的接触时间短暂，合成效率不高。然而，该团队首次提出采用低至106 W·cm-2的功率密度和长脉宽（毫秒级）的激光，这样可以增加激光与石墨颗粒的交互时间，从而在循环水介质中实现更稳定的合成过程。 通过高分辨率透射电镜(HRTEM)和X射线衍射(XRD)的分析，他们发现合成的纳米金刚石主要由球形单晶体和五重孪晶结构构成，平均颗粒尺寸约为5纳米。这种新工艺的关键在于，尽管较低的功率密度不会引发碳等离子体的产生，而是使石墨颗粒熔融形成液态碳。当激光脉冲停止时，这些液态碳迅速冷却，形成金刚石晶核并快速生长，最终得到纳米级的金刚石。 相变机制是这样的：激光脉冲照射下，石墨颗粒吸收能量迅速升温至熔融状态；随后，当激光脉冲停止，碳液滴在极短时间内冷却结晶，形成了金刚石。这种方法的优势在于能够提高合成效率，因为激光与石墨的持续接触提高了转化率，并且产生的纳米金刚石颗粒更易于收集和应用。 这一研究对于推动纳米金刚石的实际应用具有重要意义，尤其是在金属镀层、润滑油、磁性记录系统以及医学领域，由于其独特的性能，激光法合成的纳米金刚石有着广阔的应用前景。这项首发论文不仅提供了新的合成途径，还可能引领未来激光材料加工技术的发展。