共价金刚石-石墨材料，集合了金刚石和石墨的性质优势，能够实现超硬、极韧、导电等优越性能组合，在超硬和电子器件领域极具研究和发展价值。由于金刚石-石墨共价界面能高，目前主要通过高温高压方法来活化碳原子，实现该材料的构筑。等离子体化学气相沉积（CVD）是金刚石面向功能应用的主要发展方向，借助CVD技术构筑共价金刚石-石墨材料，并探索金刚石和石墨两相界面的新奇物性受到研究人员的关注。
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心黄楠研究员团队与国外学者合作，利用等离子体CVD技术制备了共价金刚石-石墨材料，并基于该材料开展了限域双电层电容（Advanced Energy Materials 2023,13,2300716）和高效电催化（Advanced Energy Materials 2023,13,2301749）研究。近期，该团队进一步揭示了等离子体CVD构筑共价金刚石-石墨材料的生长机理，数值仿真结果表明，设计的限域陶瓷样品台促使等离子体电子密度增加至1.46 × 1017 m-3，为原来的2.7倍，为活化碳原子并以石墨形式与金刚石共价连接提供能量。透射电子显微镜表明金刚石(
)面和石墨(0001)面以3:2 和 2:2的对应关系共价连接，与高温高压方法构筑的共价金刚石-石墨界面不同。电子能量损失谱阐明界面处石墨中电子密度增加，具有sp2/sp3碳混合杂化特征，表明金刚石和石墨在共价键界面上拥有强相互作用。第一性原理计算揭示强相互作用界面诱使电子从金刚石相向石墨相转移，进而调变了界面碳的电子性质，引发石墨在Fermi能级附近的态密度异常增加，并在金刚石的导带底引入局域能级，致使共价金刚石-石墨材料阴极发光特征峰比氢终端金刚石材料蓝移430 meV。这项研究工作深入理解了等离子体CVD构筑共价金刚石-石墨材料，并进一步拓展了对调制金刚石电子性质的认识，为开发先进金刚石电子器件提供基础参考。
相关结果以“Covalently-bonded diaphite nanoplatelet with engineered electronic properties of diamond”为题，于近期受邀发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊。金属所副研究员翟朝峰为第一作者，特别研究助理张楚燕博士为第二作者，黄楠研究员等为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、金属所创新基金培育项目和中国科学院仪器设备功能开发技术创新项目的资助。
图1. 等离子体CVD技术构筑共价金刚石-石墨材料
图2. 利用电子能量损失谱、第一性原理计算和阴极发光分析共价金刚石-石墨材料电子性质