一、成果简介

本成果系统揭示了纳米碳前驱体在高温高压合成金刚石过程中的维度效应及其转变机制。

金刚石以其独特的物理化学性能，被广泛应用于纳电子学、光学和生物医疗等领域。自1955年F. Bundy等科学家首次实验金刚石的人工合成以来，高温高压条件下金刚石的合成机理以及不同碳前驱体与金刚石产物间的转化关系，一直是该研究领域的关键科学问题。团队研究发现，零维碳纳米笼（CNCs）与一维碳纳米管（CNTs）在高温高压下均经历结构坍塌、石墨化、非晶碳与纳米金刚石团簇混合物，最终转变为高品质的立方金刚石。进一步绘制了详细的压力—温度（P-T）相图，直观呈现了前驱体的几何维度对金刚石相转变的重要影响。

图1.多种纳米碳前驱物的压力—温度相图及其结构转化路径

基于高分辨透射电镜和显微拉曼光谱等表征手段，深入探究了不同极端条件下纳米碳材料的微观结构及其与压力/温度的依赖关系，如图2所示。一维碳纳米管和零维碳纳米笼首先在高压下发生结构坍缩，然后形成类石墨相；随着温度进一步升高，类石墨相转变为含有嵌入金刚石纳米团簇的混合相。当达到临界温度时，最终转化为立方金刚石相。团队通过微区荧光光谱测试发现，所得立方金刚石产物中展现出了丰富的发光色心，如NV0、SiV0、SiV-等，这在量子加密、电磁信号探测等领域具有重要的应用前景。

图2.1D CNTs前驱体在不同压力/温度条件下的转化产物

图3.设备用于基极端环境下转化产物的光学性能表征于胚胎三维重建的形态学诊断

二、应用领域

金刚石及其衍生材料制备领域

三、市场前景

本成果可为极端条件下碳纳米材料向金刚石的转变机制研究提供一定参考，对后续推动金刚石及其衍生材料的结构可控制备与应用具有重要意义。

金刚石材料展现出广阔的市场前景，据网上资料显示，尤其在半导体散热和高功率器件等领域具有突破性应用：

半导体散热领域

GPU/AI芯片、数据中心CPU及5G/6G基站射频芯片的功耗持续攀升，传统散热材料（如铜、氮化铝、碳化硅）已无法满足700W以上高功耗需求。金刚石凭借2000–2200 W/m·K的热导率、电绝缘性及耐辐照特性，可延长芯片寿命2–3倍。 ‌

高功率器件开发

金刚石基电子器件可承受高温高频环境，在电动汽车功率转换、5G/6G通信基站等场景中能显著提升能源效率并降低维护成本。预计未来十年内，相关市场规模将以年均20%速度增长，2030年或将突破千亿元规模。

四、知识产权

成果第一完成单位为北京理工大学，并得到了南京大学、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、温州大学等多个单位的鼎力合作帮助。

五、合作方式

合作开发、技术许可、技术服务及咨询等。

六、对接方式

（1）合作意向方联系北理工技术转移中心；

（2）北理工技术转移中心沟通了解意向方情况；

（3）会同成果完成团队与意向方共同研讨合作方案。

北京理工大学技术转移中心

电话：010-68914920

邮箱：bitttc@bit.edu.cn

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