Raman spectroscopic features of the neutral vacancy in diamond from ab initio quantum-mechanical calculations
采用量子力学从头计算方法研究了金刚石中一种常见的辐照缺陷--中性空位的振动光谱特性。拉曼光谱的计算分析通过耦合微扰Hartree-Fock/Kohn-Sham方法作为两个不同的缺陷自旋状态和缺陷浓度的函数。位于400-1300 cm-1光谱范围内，即低于原始金刚石在1332 cm-1处的一阶线的缺陷金刚石的实验拉曼特征被很好地再现，从而证实了在低损伤密度下，该光谱区域主要受非石墨sp3缺陷影响的图片。没有发现高于1332 cm-1的峰，因此排除了先前对中性空位的不同光谱特征（在1450和1490 cm-1处）的尝试性分配。引入的空位的缺陷晶格中的碳原子的热核运动的扰动进行了讨论的原子各向异性位移参数（ADP），计算从收敛的晶格动力学计算。
2016-08-26 cond-mat.mtrl-sci
High quality factor single-crystal diamond mechanical resonators
单晶金刚石是一种很有前途的MEMS器件材料，因为它的机械损耗低，与极端环境的兼容性，以及与高质量自旋中心的内置界面。但它的使用在很大程度上受到加工和增长挑战的限制。我们展示了一种基于晶片键合的技术，以形成金刚石绝缘体，从我们使单晶金刚石微机械谐振器的机械品质因数高达338,000在室温下。可变温度测量到10 K揭示了非单调的品质因数对温度的依赖。这些谐振器能够将单晶金刚石集成到MEMS技术中，用于经典和量子应用。
2012-06-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Chemical mechanical polishing of thin film diamond
纳米金刚石（NCD）可以保持单晶金刚石孪晶的优良杨氏模量（1，100 GPa）并具有在低温（<450 °C）下生长的能力的证明已经推动了NCD薄膜的生长和应用的复兴。然而，由于晶体的竞争生长，所得薄膜的粗糙度会随着薄膜厚度的变化而变化，从而阻碍了NCD薄膜在需要光滑薄膜的设备中充分发挥其潜力。为了减小这种粗糙度，已经使用化学机械抛光（CMP）对膜进行抛光。配备有聚氨酯/聚酯抛光布和碱性胶态二氧化硅抛光液的Logitech Tribo CMP工具已用于抛光NCD膜。用原子力显微镜、扫描电子显微镜和X-射线光电子能谱学对所得薄膜进行了表征。在25 μm $^2$上，均方根粗糙度值已从18.3 nm降至1.7 nm，在~ 0.25 μm $^2$上，粗糙度值低至0.42 nm。提出了表面湿氧化、二氧化硅颗粒附着和随后的碳剪切掉的抛光机理。
2013-08-06 cond-mat.mtrl-sci
Effect of deep-defect excitation on mechanical energy dissipation of single-crystal diamond
金刚石的超宽带隙将其与其他半导体区分开来，因为所有已知的缺陷都具有在室温下不活跃的深能级。在这里，我们提出的影响，深缺陷的机械能量耗散单晶金刚石的实验和理论高达973 K。能量耗散被发现随温度的增加，并表现出局部最大值，由于声子和深缺陷之间的相互作用，在特定的温度下激活。提出了一个含深能级的二能级模型，较好地解释了高温下的能量耗散。很明显，去除硼杂质可以显著提高室温金刚石机械谐振器的品质因数。氮的深能性质赋予单晶金刚石在室温或更高温度下在机械谐振器中具有出色的低本征能量耗散。
2020-10-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Small-Angle X-ray and neutron scattering from diamond single crystals
本文介绍了用小角散射法研究具有不同类型的点缺陷和扩展缺陷以及不同退火程度的金刚石的结果。结果表明，热退火和/或机械变形导致形成纳米尺寸的平面和三维缺陷引起的小角散射。缺陷通常由金刚石常见的晶面111、100、110、311、211形成小面。散射缺陷可能包括集群的内在和杂质相关的缺陷，机械孪晶的边界也有助于SAS信号。氮杂质浓度与散射强度之间没有明显的相关性。
2011-10-28 cond-mat.mtrl-sci
Extended T2 times of shallow implanted NV in chemically mechanically polished diamond
该研究证明化学机械抛光（CMP）工艺可在工业可扩展条件下将浅层注入NV色心的自旋寿命提升至13C限制水平，T2中位数达355微秒，优于ICP-RIE处理方法。
2024-05-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Modification of the structure of diamond with MeV ion implantation
我们提出了实验结果和数值模拟研究离子注入单晶金刚石的结构力学性能的修改。一个唯象模型是用来推导的质量密度和弹性性能的变化作为在晶体中的损伤密度的函数的解析表达式。这些关系与SRIM蒙特卡罗模拟一起应用于建立有限元模拟，用于确定MeV离子注入金刚石样品的内部应变和表面变形。通过与高分辨率X射线衍射和白光干涉轮廓术实验的比较，验证了结果。前者进行180 keV B注入金刚石样品，以确定诱导的结构变化，在晶格间距和无序，而后者进行1.8 MeV He注入金刚石样品，以测量表面膨胀。热处理对受损金刚石的结构-机械性质的演变的影响也通过在1000 °C下退火后进行相同的轮廓测量来评估，并且用适当修改的分析模型对所获得的趋势进行建模。结果允许发展的相干模型描述的影响，兆电子伏离子引起的损伤单晶金刚石的结构力学性能。特别是，我们建议一个更可靠的方法来确定所谓的金刚石“石墨化阈值”所考虑的注入类型。
2016-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity in Diamond
众所周知，金刚石在室温下不发生塑性变形，通常以灾难性的脆性断裂而失效。在这里，我们展示了亚微米尺寸的金刚石柱的室温位错塑性在透射电子显微镜的原位力学测试。我们在前所未有的细节文件的时空特性的位错引入的无约束压缩，包括位错的产生和传播。断层重建的原子分辨观测结果明确地表明，Burgers矢量为1/2的混合型位错分别<110>在和方向的单轴压缩下在金刚石的非密排{001}面被激活<111><110>，而在定向加载下在{111}面被激活<100>，表明取向相关的位错塑性。这些结果为金刚石的力学行为提供了新的见解，并刺激了对金刚石以及其他脆性共价晶体在低温下的基本变形机制的重新思考。
2020-02-14 cond-mat.mtrl-sci
Superconducting nano-mechanical diamond resonators
在这项工作中，我们提出的超导纳米机械谐振器的制造和表征纳米掺硼金刚石（BDD）。振荡器可以在其超导状态下被驱动和读出，并且在大约10 MHz的谐振频率下显示出高达40，000的品质因数。机械阻尼的研究磁场高达3 T的谐振器仍然表现出超导性能。由于其简单的制造过程，这些设备可以很容易地耦合到其他超导电路，其性能与最先进的技术相当。
2014-01-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
The morphology and temperature dependent tensile properties of diamond nanothreads
最近成功合成的一维sp3金刚石纳米线（NTH）极大地增加了碳社区的兴趣。原则上，可以存在不同的稳定NTH结构。本文采用分子动力学模拟研究了三种典型NTH的力学行为。据发现，NTH的机械性能可以显着变化，由于形态的差异，这被认为是源于由其结构所确定的不同的应力分布。进一步的研究表明，温度对NTH的力学性能有显著的影响。具体而言，失效强度/应变随温度升高而降低，并且有效杨氏模量似乎与温度无关。断裂强度/应变的显著降低被认为是由于增加的键重排过程和高温下的自由横向振动。另外，NTH被发现具有相对高的弯曲刚度，并且表现得更像柔性弹性杆。这项研究突出了结构-性能关系的重要性，并提供了不同NTH的拉伸行为的基本理解，这应该阐明基于NTH的纳米结构作为应变传感器和机械连接器的设计和应用。
2018-03-17 cond-mat.mtrl-sci
On the Electronic, Mechanical and Optical Properties of Superhard Cross-Linked Carbon Nanotubes (Tubulanes)
University of Brasília（巴西利亚大学）；State University of Campinas（坎皮纳斯州立大学）；Federal University of Parana（巴拉那联邦大学）；Harbin Institute of Technology, Shenzhen（哈尔滨工业大学（深圳））
本研究探究6种Tubulanes交联碳纳米管结构的多维度性质，发现其力学性能高度各向可调、带隙低于金刚石且具多孔性，为电子应用及后续合成提供了理论依据。
2025-09-11 cond-mat.mtrl-sci
Mechanical and Surface Characterization of Diamond-Like Carbon Coatings onto Polymeric Substrate
在这篇硕士论文中，类金刚石碳DLC/Cr双层系统，厚度高达1278 nm的ABS，玻璃和Si基板上形成。采用氧等离子体清洗工艺对基片表面进行处理。采用磁控溅射法制备了作为缓冲层的铬薄膜。以甲烷和氢气为反应物，采用脉冲直流等离子体增强化学气相沉积法制备了类金刚石碳。采用Plackett-Burman实验设计，研究了沉积工艺参数对涂层厚度、沉积速率、内应力、接触角、粗糙度、摩擦系数和磨损率的影响。独立变量是功率、腔室压力、沉积时间、气体的总通量、反应物气体的组成和氧等离子体清洁条件。报道的内在应力值在0.13-0.78 GPa之间。通过研磨具有限定几何形状的帽罩来进行耐磨性测量。在1 E-14至1 E-15 m^3/Nm范围内实现了低磨损率。在不同的相对湿度，范围为20至80%的氮气环境下，所获得的涂层的摩擦，使用具有碳化钨球的纳米摩擦计测量。结果表明，摩擦系数随相对湿度的增大而增大。报告了摩擦系数为0.12至0.24的值。. DLC涂层的主要目的是改善ABS的耐磨性和摩擦学行为，以提高其在汽车、医疗、家用和纺织等应用中的耐用性。
2015-09-28 cond-mat.mtrl-sci
Mechanical Properties of a Diamond Schwarzite: From Atomistic Models to 3D-Printed Structures
三周期极小曲面（TPMS）在周期边界条件约束下具有局部极小的曲面面积。不同的家庭的表面得到不同的拓扑满足这样的条件。此类族的示例包括基元（P）、陀螺（G）和金刚石（D）表面。从一个纯数学的主题，TPMS最近已被发现在材料科学作为结构应用的最佳几何形状。黑硅钙石是由Mackay和Terrones于1991年提出的一种具有TPMS形状的三维结晶多孔碳纳米晶体。尽管其复杂的拓扑结构对使用化学气相沉积（CVD）等传统纳米级制造方法进行合成构成了严重限制，但TPMS可以通过3D打印等增材制造（AM）技术制造。在这项工作中，我们使用了来自D族（D8bal）的施瓦济石结构的优化原子模型来生成表面网格，随后通过熔融沉积建模（FDM）用于3D打印。这种D施瓦茨矿是用热塑性聚乳酸（PLA）聚合物长丝3D打印的。研究了原子模型和3D打印模型在单轴压缩下的力学性能。全原子分子动力学（MD）模拟也进行了研究单轴压缩行为的D8bal原子模型。对3D打印的施瓦茨矿进行了机械测试，发现变形机制与MD模拟中观察到的相似。这些结果暗示了由结构拓扑支配的尺度无关的力学行为。
2020-01-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Dislocation Slip or Phase Transformation Lead to Room-Temperature Plasticity in Diamond: Comment on Plastic Deformation of Single-Crystal Diamond Nanopillars
尽管几十年来对金刚石的机械性能进行了广泛的研究，但由于室温下的变形能力差，因此在塑性形变机制方面仍有许多问题需要了解。在新材料最近的一项工作中，<001>基于扫描电子显微镜内未恢复变形的观察，声称室温塑性发生在取向的单晶金刚石纳米柱中。通过分子动力学模拟，提出塑性形变是由从sp3碳相到O 8-碳相的相变介导的。通过比较，我们的原位透射电子显微镜研究表明，室温下的塑性可以通过位错滑移在两个<100>和<111>取向的金刚石纳米柱。脆性到韧性的转变高度依赖于应力状态。我们注意到，表面结构可能在变形机制中起着重要的作用，因为纳米级金刚石的初始塑性总是发生在表面区域。
2020-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Microscopic imaging of elastic deformation in diamond via in-situ stress tensor sensors
在纳米尺度上精确测量机械应力具有重要的基础和技术意义。原则上，应力张量的所有六个独立变量，描述了固体中压缩/拉伸和剪切应力的方向和大小，可以用来调整或增强材料和设备的性能。然而，现有的技术来探测局部应力通常不能测量整个应力张量。在这里，我们利用金刚石（氮空位缺陷）中原子大小的原位应变传感器的集合来实现全应力张量的空间映射，具有亚微米的空间分辨率和1 MPa的量级的灵敏度（对应于小于$10^{-6}$的应变）。为了说明该技术的有效性和多功能性，我们将其应用到广泛的实验情况，包括映射由局部植入损伤，纳米压痕和划痕引起的弹性应力。此外，我们观察到令人惊讶的大应力贡献的功能电子器件上制造的金刚石，也表明与金刚石接触的材料的变形的敏感性。我们的技术可以使在各种刺激下的金刚石纳米结构的机械响应的原位测量，与基于金刚石的量子技术的应变工程和在芯片上的质谱纳米机械传感的潜在应用。
2018-12-04 cond-mat.mtrl-sci
Diamond as a material for monolithically integrated optical and optomechanical devices
金刚石提供了优越的光学和机械材料性能，使其成为实现集成光机械电路的主要候选材料。由于金刚石衬底在尺寸上已经成熟，因此可以使用有效的纳米结构化方法来实现全尺寸集成器件。在这里，我们审查光学和机械谐振器制造的多晶以及单晶金刚石。我们提出了相关的材料性能方面实施光学机械设备，并将它们与其他材料系统进行比较。我们给出了金刚石集成光机械电路的概述，并提出了光学读出机制和通过光学或静电力，迄今已实施的驱动。通过将金刚石纳米光子电路与超导纳米线相结合，可以在这样的芯片上有效地检测单光子，我们概述了未来的单光子光机电路可以在这个平台上实现。
2016-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Micro-beam and pulsed laser beam techniques for the micro-fabrication of diamond surface and bulk structures
金刚石微加工涉及一系列新兴技术，利用金刚石的特殊特性应用于生物物理学，光子学，辐射检测。微离子束辐照和脉冲激光辐照是互补技术，其允许通过表面和/或块体材料的改性和功能化，修改材料的光学、电学和机械特性来实现复杂的几何形状。本文总结了意大利佛罗伦萨在离子束和脉冲激光束微细加工金刚石方面所做的工作。
2016-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Pick-up and drop transfer of diamond nanosheets
纳米金刚石（NCD）是一种很有前途的电子和机械微纳器件材料。在这里，我们介绍了一个通用的拾取和下降的技术，使人们有可能调查的电气，光学和机械性能的生长NCD薄膜。使用这种技术，NCD纳米片，薄至55 nm，可以从生长衬底上拾取并定位在另一个衬底上。作为概念的证明，制造电子器件和机械谐振器，并表征其特性。此外，通过将NCD纳米片转移到光纤上，进一步探索了该方法的多功能性，这允许测量其光吸收。最后，我们表明，NCD纳米片也可以转移到二维晶体，如二硫化钼，制造异质结构。拾取和滴落转移使得能够在不需要光刻或湿法处理的情况下制造各种基于NCD的器件。
2015-03-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Fabrication of (111)-Faced Single-Crystal Diamond Plates by Laser Nucleated Cleaving
从电力电子到量子信息处理架构的高性能固态器件平台都需要表面在（111）晶面取向的单晶金刚石板。然而，生产具有这种取向的板已被证明具有挑战性。在本文中，我们展示了一种方法，用于可靠和精确地制造（111）面板从市售的，化学气相沉积生长，IIa型单晶金刚石基板与（100）面。我们的方法使用纳秒脉冲可见光激光在选定的（111）晶面中成核和传播机械劈裂，导致面大至3.0 mm $\times$ 0.3 mm，具有原子级平坦表面，可忽略的误切角和接近零的切口损失。我们讨论了该过程的基本物理机制以及潜在的改进，这些改进将使毫米级（111）面单晶金刚石板的生产成为可能，用于各种新兴设备和应用。
2017-12-11 cond-mat.mtrl-sci
D-carbon: A New sp3 Carbon Allotrope
我们采用从头计算方法研究了一种新的sp3碳晶相（空间群D2 h5，Pmma-斜方晶系）D-碳的结构、力学和电子性质。总能量计算表明，D-碳是积极的比以前提出的T6结构更有利。最先进的理论计算表明，这种新相在零压力下具有动力学、机械和热稳定性，并且在63.7 GPa以上比石墨更稳定。重要的是，计算表明，D-碳具有高的维氏硬度（86.58 GPa）和体积模量（369 GPa），这与金刚石相当。D-碳是一种半导体，其带隙为4.33 eV，低于金刚石的带隙（5.47 eV）。模拟的X射线衍射图是在令人满意的协议与以前的实验数据在烟囱或爆轰烟尘，表明它可能存在于标本。同样重要的是，已经研究了从金刚石到D-碳的可能过渡路径，表明了合成这种新相的可能方法。
2017-12-28 cond-mat.mtrl-sci
Effects of high-power laser irradiation on sub-superficial graphitic layers in single crystal diamond
我们报告的结构修改所引起的λ = 532 nm ns脉冲高功率激光亚表面石墨层在单晶金刚石实现通过MeV离子注入装置。通过不同的电子显微镜技术进行了系统的表征，在不同的激光照射条件（功率密度，脉冲数）和随后的热退火下获得的结构。激光照射后观察到的主要特征是预先存在的石墨层的增厚。进行横截面SEM成像以直接测量改性层的厚度，并且随后采用掩埋层的选择性蚀刻来评估其石墨性质并增强SEM成像对比度。特别是，人们发现，对于最佳的照射参数的激光处理诱导六倍增加的次表面的石墨层的厚度，而不诱导周围的晶体中的机械故障。TEM显微镜和EELS光谱允许激光照射层的内部结构的详细分析，突出不同的纳米石墨和非晶层的存在。所获得的结果表明，高功率激光照射的有效性和通用性，用于精确调整嵌入单晶金刚石中的石墨结构的几何和结构特征，并在金刚石制造中开辟新的机会。
2016-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Ultracoherent self-assembled diamond nanomechanics reveals superfluid dynamics
John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院）；Department of Electrical Engineering and Computer Science, Syracuse University（雪城大学电气与计算机工程系）；Department of Physics, Harvard University（哈佛大学物理系）
超高相干自组装金刚石纳米机械系统揭示超流动力学，通过应变工程实现超低声学损耗，探测残余耗散并揭示三种双能级系统通道和一个拓扑耗散通道。
2026-02-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
