發表時間: 2018年4月
文章標題: Ultralarge Elastic Deformation of Nanoscale Diamond
發表期刊: Science
文章引用: Banerjee et al., Science 360, 300–302 (2018)
傳統上，我們認為鑽石 (金剛石)是最堅硬的材料，
原因在先前的文章 http://swospam0418.pixnet.net/blog/post/462736097 便提到，
是因為結構中的碳都是以飽和的單鍵互相鍵結而形成網狀共價鍵，因而非常堅硬
所以在此之前，一般都認為鑽石是脆而不具有彈性的。
不過在新一期的 <Science>期刊中登出一篇文章，
由香港城市大學、麻省理工、蔚山科學技術員等機構的研究人員發現，
在奈米尺度 (約300奈米)下，金剛石具有承受形變並回復原狀的能力，
尤其單晶奈米金剛石能達到9%的彈性拉伸應變，改變我們對金剛石的傳統認知。
進一步結合模擬與斷裂前/後的微結構鑑定，
研究人員將此特性歸因於奈米尺度單晶金剛石的結構特性與表面特性，
使其能表現出巨觀尺度的金剛石無法達到的特殊性質。
奈米尺度金剛石奈米針的製備，是將鑽石薄膜以CVD鍍在矽基板後，再利用電漿蝕刻，
透過參數的適當調整，能從<111>方向的薄膜得到單晶金剛石奈米針(nanoneedle)。
為了在奈米尺度下驗證金剛石的力學性質，研究團隊以「奈米壓痕」(nanoidentation)技術，
運用cuber corner (如下圖) 探針的某一面對金剛石奈米針施加應力，
並以SEM進行 in-situ觀察。
實驗結果基本上就有如照片中所示，他們成功讓金剛石nanoneedle產生形變，
並且在移除應力後還是能回復原狀，是為彈性應變。
進一步進行定量鑑定，發現單晶金剛石奈米針的彈性應變可達到9%，
這是巨觀尺度下的金剛石不可能發生的事。
(下圖的實驗中，奈米針間在水平方向的偏斜距離達442nm，為奈米針長度的19%，
再繼續施加應力的話就會產生裂痕而使樣品斷裂)
相較於單晶金剛石奈米針能達到9%的應變，對多晶金剛石奈米針做同樣的測試，
發現只能達到3.5%的彈性應變，不過還是遠高於巨觀尺度金剛石的0.3%彈性應變，
研究團隊在針對多個樣品做出測試後做出比較圖。
透過對斷裂前後的奈米針樣品進行原子尺度的高解析度TEM微結構分析，
發現金剛石奈米針能擁有這麼特別的性質有兩個原因。
一是金剛石奈米針的奈米級尺寸，缺陷或裂口的濃度都遠比微米級尺寸的樣品還要少，
錯位的成核受到限制，潛在的錯位因子也極少，
即便是原本就存在的極少數錯位，這些錯位能移動的距離也極短，因此也就難以結合，
讓diamond nanoneedle成為「超強度材料」 (ultra-strength material)，
能夠達到10%甚至更高的理論機械強度 (定義為0K下的完全晶體擁有的機械強度)。
另一個原因是單晶金剛石的完美晶體結構使其在彎曲過程中能避免缺陷發生，
加上光滑的表面性質，光滑的性質使其更難生成鍵結斷裂引致的勻相成核，
以致於裂痕才表面更難生成，一旦有裂痕，應力的集中會讓材料馬上碎裂，
光滑的表面得以避免這個情況，所以金剛石nanoneedle才會有這麼特別的結果。
金剛石本身就因為獨特的光學、熱力學、電磁學特性、生物相容性而擁有多元的應用，
比方說，金剛石奈米針被用來刺激細胞輸送，造成細胞膜的破壞，這種特性能用在藥物輸送上，
甚至是基因療法中將DNA與RNA 送入細胞。
另外，鑽石有「氮原子空缺中心」 (negatively charged nitrogen vacancy) (NV-)特性，
我們皆知鑽石的結構是由純粹的碳原子組成，而NV-本身是一種缺陷現象，
當一個碳原子從結構中消失形成defect，又鄰近的碳原子被氮原子給取代，就成為NV-,
利用磁場來改變氮原子空缺中心的電子自旋方向，
就能形成量子運算的運算元，或是儲存資料等。
如今證實金剛石在奈米尺度下能展現截然不同的機械性質，
將更加擴大金剛石在這些領域的應用潛力。
其它參考文獻:
Dhomkar, Siddharth, et al. Science advances 2.10 (2016): e1600911.
Chen, Xianfeng, and Wenjun Zhang. Chemical Society Reviews 46.3 (2017): 734-760.
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