类金刚石碳

类金刚石碳 (DLC) 是一类无定形碳材料，具有金刚石的一些典型特性。类金刚石碳 (DLC) 通常作为涂层应用于其他可以受益于此类特性的材料。

类金刚石碳以七种不同的形式存在。所有七种都含有大量的 sp3 杂化碳原子。之所以有不同类型，是因为即使是金刚石也可以在两种结晶多型体中找到。较常见的一种使用立方晶格，而不太常见的 lonsdaleite 具有六方晶格。

通过在纳米级混合这些多晶型，可以制造出同时具有无定形、柔性和纯 sp3 键合金刚石的类金刚石碳涂层。 最硬、最 强和最光滑的是四面体无定形碳 (ta-C)。

Ta-C 可以被认为是类金刚石碳的纯形式，因为它几乎完全由 sp3 键合的碳原子组成。氢、石墨 sp2 碳和金属等填料以其他 6 种形式使用，以降低生产成本或赋予其他所需特性。

各种形式的类金刚石碳几乎可以应用于任何与真空环境兼容的材料。

2011 年，斯坦福大学的研究人员宣布在超高压条件下制造出超硬非晶金刚石。金刚石没有金刚石的晶体结构，但具有碳的轻质特性。

2021 年，中国研究人员宣布推出 AM-III，这是一种基于富勒烯的超硬无定形碳。它也是一种半导体，带隙范围为 1.5 至 2.2 eV。该材料在维氏硬度测试中显示出 113 GPa 的硬度，而金刚石硬度约为 70 至 100 GPa。它的硬度足以划伤钻石的表面。

天然存在的金刚石几乎总是以具有 sp3 键合碳原子的纯立方取向的晶体形式被发现。有时存在晶格缺陷或其他元素的原子夹杂物，从而赋予宝石颜色，但碳的晶格排列仍保持立方，键合为纯 sp3。

立方多型体的内能略低于六角形，并且在天然和大块合成金刚石生产方法中，熔融材料的生长速度都足够慢，以至于晶格结构有时间以最低能量（立方体）形式生长 这对于碳原子的 sp3 键合是可能的。

相比之下，类金刚石碳通常是通过在相对冷的表面上快速冷却或淬火高能前体碳（例如，在等离子体、过滤阴极电弧沉积、溅射沉积和离子束沉积中）的工艺生产的。

在那些情况下，立方晶格和六方晶格可以随机混合，逐个原子层，因为在原子被冻结在材料中的适当位置之前，没有时间让一种晶体几何形状以另一种几何形状为代价而生长。

无定形类金刚石碳涂层可能导致材料没有长程结晶顺序。没有长程有序，就没有脆性断裂面，因此这种涂层是柔韧的，与被涂层的底层形状共形，同时仍然像金刚石一样坚硬。事实上，这一特性已被用于研究类金刚石碳中纳米级的原子磨损。

有几种生产类金刚石碳的方法，这些方法依赖于 sp2 碳的密度低于 sp3 碳。因此，在原子尺度上施加压力、冲击、催化或这些的某种组合可以迫使 sp2 键合的碳原子靠得更近，形成 sp3 键。这必须足够有力地进行，以使原子不能简单地弹回分裂成 sp2 键的分离特征。

通常技术要么将这种压缩与将新的 sp3 键合碳簇推入涂层更深处，这样就没有空间膨胀回到 sp2 键合所需的分离； 或者新的簇被注定要用于下一个影响周期的新碳的到来所掩埋。

可以合理地将这一过程想象成一阵冰雹，产生局部的、更快的、纳米级版本的经典热和压力组合，从而产生天然和合成钻石。因为它们独立地出现在生长薄膜或涂层表面的许多地方，所以它们倾向于产生鹅卵石街道的模拟，其中鹅卵石是结节或 sp3 键合碳簇。

根据所使用的特定配方，存在碳沉积和冲击的循环或新碳到达的连续比例和射弹传递强制形成 sp3 键所需的冲击。因此，ta-C 可能具有鹅卵石街道的结构，或者结核可能融化在一起形成更像海绵的东西，或者鹅卵石可能是这样的。