新型超硬材料-比金刚石硬的玻璃

玻璃态AM-III是一种比金刚石硬的玻璃。除了超硬、超强的力学性质外,AM-III也是半导体。这种结合了优越的力学性能与半导体性能的新型“玻璃”有望在光伏(将太阳能转化为电能)领域大展身手。

钻石是最硬的物质,但却非常脆,在遇到硬物撞击时容易碎裂。

事实上,对于超硬晶体材料来说,硬度和韧性往往不可兼得。

然而,中国科学家创造出了最硬的玻璃,它甚至可以划伤钻石,还不易碎裂

燕山大学的田永君院士研究团队研制出了一种全新的玻璃材料——最强、最硬的玻璃,不仅硬度超过了金刚石,并且具备金刚石不具备的韧性,以及半导体特性。

田永君院士长期致力于超硬材料领域,例如早在2013年,他就带领团队合成了一种硬度超过金刚石的纳米孪晶立方氮化硼,这项突破也登上了《自然》期刊。

玻璃态AM-III的高硬度在材料内部的各个方向都基本一致,即具有各向同性。相比于因各向异性而存在“软肋”的金刚石,AM-III作为一种新型玻璃,完美解决了超硬晶体韧性不足的问题。(AM即amorphous,表示玻璃态。)

对AM-III的力学性质测定显示,其维氏硬度(HV)高达~113GPa,可以刻划维氏硬度为103GPa的单晶金刚石晶面。除了超高的硬度之外,AM-III的强度也可以与金刚石相媲美:这种材料的表面能承受高达~70GPa的压力而不会出现裂痕。这是迄今为止发现的最硬、最强的玻璃态的碳。

此外,玻璃态AM-III的高硬度在材料内部的各个方向都基本一致,即具有各向同性。相比于因各向异性而存在“软肋”的金刚石,AM-III作为一种新型玻璃,完美解决了超硬晶体韧性不足的问题。

除了超硬、超强的力学性质外,AM-III也是半导体,它的带隙(导带的最低点与价带的最高点的能量之差)范围为1.5~2.2eV,与最常用的半导体非晶硅薄膜的带隙相当。因此,这种结合了优越的力学性能与半导体性能的新型“玻璃”有望在光伏(将太阳能转化为电能)领域大展身手。


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