Growth Mechanism and Kinetics of Diamond in Liquid Gallium from Quantum Mechanics Molecular Dynamics Simulations

钻石 材料科学 分子动力学 增长率 化学物理 碳纤维 动力学 晶体生长 密度泛函理论 热力学 结晶学 计算化学 化学 复合材料 冶金 几何学 物理 复合数 量子力学 数学
作者
Yidi Shen,Sergey I. Morozov,Dulce C. Camacho‐Mojica,Rodney S. Ruoff,Qi An,William A. Goddard
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (27): 33046-33055 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.3c03314
摘要

Ruoff and co-workers recently demonstrated low-temperature (1193 K) homoepitaxial diamond growth from liquid gallium solvent. To develop an atomistic mechanism for diamond growth underlying this remarkable demonstration, we carried out density functional theory-based molecular dynamics (DFT-MD) simulations to examine the mechanism of single-crystal diamond growth on various low-index crystallographic diamond surfaces (100), (110), and (111) in liquid Ga with CH4. We find that carbon linear chains form in liquid Ga and then react with the growing diamond surface, leading first to the formation of carbon rings on the surface and then initiation of diamond growth. Our simulations find faster growth on the (110) surface than on the (100) or (111) surfaces, suggesting the (110) surface as a plausible growth surface in liquid Ga. For (110) surface growth, we predict the optimum growth temperature to be ∼1300 K, arising from a balance between the kinetics of forming carbon chains dissolved in Ga and the stability of carbon rings on the growing surface. We find that the rate-determining step for diamond growth is dehydrogenation of the growing hydrogenated (110) surface of diamond. Inspired by the recent experimental studies by Ruoff and co-workers demonstrating that Si accelerates diamond growth in Ga, we show that addition of Si into liquid Ga significantly increases the rate of dehydrogenating the growing surface. Extrapolating from the DFT-MD predicted rates at 2800 to 3500 K, we predict the growth rate at the experimental growth temperature of 1193 K, leading to rates in reasonable agreement with the experiment. These fundamental mechanisms should provide guidance in optimizing low-temperature diamond growth.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
zzz发布了新的文献求助10
1秒前
牙牙完成签到 ,获得积分10
2秒前
杭黎昕完成签到,获得积分10
3秒前
黑压压的帝企鹅完成签到,获得积分10
4秒前
4秒前
小蘑菇应助瘦瘦不乐采纳,获得10
4秒前
4秒前
曾经半山完成签到,获得积分10
6秒前
6秒前
6秒前
8秒前
星辰大海应助曾经半山采纳,获得10
9秒前
研友_LMNRrn完成签到,获得积分10
9秒前
9秒前
Null发布了新的文献求助10
11秒前
郑伟李完成签到,获得积分10
11秒前
dijla发布了新的文献求助10
13秒前
疯狂的炒米粉完成签到 ,获得积分10
14秒前
14秒前
Song发布了新的文献求助20
15秒前
16秒前
FashionBoy应助繁荣的怀蕊采纳,获得10
16秒前
谨慎的月亮完成签到 ,获得积分10
16秒前
16秒前
O已w时o完成签到 ,获得积分10
16秒前
高贵冰烟完成签到,获得积分10
17秒前
Aline发布了新的文献求助10
18秒前
18秒前
丸子发布了新的文献求助20
18秒前
19秒前
无情的羊青完成签到,获得积分10
20秒前
温暖砖头发布了新的文献求助10
23秒前
晚风发布了新的文献求助10
23秒前
24秒前
哈haha关注了科研通微信公众号
25秒前
科研通AI2S应助zzz采纳,获得10
25秒前
十八厘米不含头完成签到 ,获得积分10
25秒前
26秒前
coco完成签到,获得积分10
26秒前
健壮的尔烟完成签到,获得积分10
26秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Essentials of Carbohydrate Chemistry and Biochemistry, 4th Edition 800
Navigating Normative Orders. Interdisciplinary Perspectives 800
Organizational Behavior 510
Management and the Arts 510
Matrix Methods in Data Mining and Pattern Recognition Second Edition 510
CLSI VET01S-2024 Performance Standards for Antimicrobial Disk and Dilution Susceptibility Tests for Bacteria Isolated From Animals (7th Ed) 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 计算机科学 内科学 物理 复合材料 催化作用 细胞生物学 无机化学 光电子学 物理化学 电极 基因
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7753919
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9300642
关于积分的说明 20258121
捐赠科研通 7336291
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3310583
关于科研通互助平台的介绍 2461834
邀请新用户注册赠送积分活动 2323733