Il team di ricerca, guidato dal direttore Rod Ruoff del Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) presso l’Istituto per la Scienza di Base (IBS) e composto anche da studenti di dottorato dell’Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), ha superato questi limiti crescendo diamanti a una pressione atmosferica e a una temperatura di circa 1025 °C. Hanno utilizzato una lega metallica liquida composta da gallio, ferro, nichel e silicio, sfidando il paradigma esistente.
Il sistema sperimentale ottimizzato, denominato RSR-S, ha permesso di ridurre significativamente i tempi di preparazione e di esecuzione degli esperimenti, accelerando così la ricerca dei parametri ottimali per la crescita dei diamanti nel metallo liquido. Questo sistema è stato essenziale per identificare le condizioni che favoriscono una crescita riproducibile dei diamanti.
La crescita del diamante avviene nella sottosuperficie di una lega metallica liquida esposta a una miscela di metano e idrogeno. L’iniziale formazione di diamanti avviene senza la necessità di particelle di seme, comuni nei metodi HPHT e nella deposizione chimica da vapore. Una volta formati, i diamanti si fondono formando un film, che può essere facilmente staccato e trasferito su altri substrati per ulteriori studi e applicazioni potenziali.
Le misurazioni della diffrazione a raggi X bidimensionale al sincrotrone hanno confermato l’alta purezza della fase di diamante del film sintetizzato. Un aspetto particolarmente interessante è la presenza di centri di colore a vacanza di silicio nella struttura del diamante, evidenziata da una intensa linea a zero fononi a 738,5 nm nello spettro di fotoluminescenza.
Il team ha anche scoperto che il silicio gioca un ruolo cruciale in questa nuova crescita di diamanti. La dimensione dei diamanti cresciuti diventa più piccola e la loro densità maggiore man mano che la concentrazione di silicio nella lega aumenta. I diamanti non possono essere cresciuti senza l’aggiunta di silicio, suggerendo che il silicio potrebbe essere coinvolto nella nucleazione iniziale del diamante.
Queste scoperte offrono numerose opportunità per ulteriori studi di base e per l’esplorazione di nuovi metodi di crescita dei diamanti in leghe metalliche liquide a punto di fusione relativamente basso, potenzialmente includendo altri elementi come catalizzatori o dopanti. Questo metodo di crescita offre una significativa flessibilità nella composizione delle leghe metalliche, aprendo la strada a future innovazioni nel campo della sintesi dei diamanti.