Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene

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作者
Yuchen Shang,Zhaodong Liu,Jiajun Dong,Mingguang Yao,Zhenxing Yang,Quanjun Li,Chunguang Zhai,Fangren Shen,Xuyuan Hou,Li Wang,Nianqiang Zhang,Wei Zhang,Rong Fu,Jianfeng Ji,Xingmin Zhang,He Lin,Yingwei Fei,Bertil Sundqvist,Weihua Wang,Bingbing Liu
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:599 (7886): 599-604 被引量:135
标识
DOI:10.1038/s41586-021-03882-9
摘要

Amorphous materials inherit short- and medium-range order from the corresponding crystal and thus preserve some of its properties while still exhibiting novel properties1,2. Due to its important applications in technology, amorphous carbon with sp2 or mixed sp2–sp3 hybridization has been explored and prepared3,4, but synthesis of bulk amorphous carbon with sp3 concentration close to 100% remains a challenge. Such materials inherit the short-/medium-range order of diamond and should also inherit its superior properties5. Here, we successfully synthesized millimetre-sized samples—with volumes 103–104 times as large as produced in earlier studies—of transparent, nearly pure sp3 amorphous carbon by heating fullerenes at pressures close to the cage collapse boundary. The material synthesized consists of many randomly oriented clusters with diamond-like short-/medium-range order and possesses the highest hardness (101.9 ± 2.3 GPa), elastic modulus (1,182 ± 40 GPa) and thermal conductivity (26.0 ± 1.3 W m−1 K−1) observed in any known amorphous material. It also exhibits optical bandgaps tunable from 1.85 eV to 2.79 eV. These discoveries contribute to our knowledge about advanced amorphous materials and the synthesis of bulk amorphous materials by high-pressure and high-temperature techniques and may enable new applications for amorphous solids. Preparing amorphous phases of carbon with mostly sp3 bonding in bulk is challenging, but macroscopic samples that are nearly pure sp3 are synthesized here by heating fullerenes at high pressure.
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