二维金刚石材料兼具金刚石优异的本征物性（宽带隙、超高硬度、高热导率、化学惰性等）与纳米尺度厚度带来的新奇物理特性（厚度可调带隙、可调磁学性质、色心自旋操控及光提取效率提升等），在纳米电子学和纳米光子学领域展现出巨大应用前景。然而，实现二维金刚石的可控、可规模制备仍是该领域的核心挑战之一。化学气相沉积法虽已被用于生长二维金刚石纳米片，但对其生长机理的深入理解仍十分匮乏，严重制约了其微观结构调控与性能优化。

针对上述关键科学问题，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心黄楠研究员团队与国内外学者合作，利用微波等离子体化学气相沉积技术，在H₂/CH₄混合气氛中于高甲烷浓度（8%）和高温（>1000°C）条件下，成功制备出丰富的二维金刚石纳米片，并经混酸处理去除石墨相后获得纯净的二维金刚石。研究团队借助高分辨透射电子显微镜和第一性原理计算，系统揭示了二维金刚石从纳米晶金刚石团簇中演化生长的完整微观过程，并阐明了其形成机制。

研究发现，二维金刚石的生长过程可分为三个连续阶段：首先，在高碳过饱和条件下，初始沉积的纳米晶金刚石层中形成大量由Shockley不全位错诱导的层错和孪晶等平面缺陷；随后，这些孪晶结构在（111̅）面上发展为贯穿整个纳米片的多重孪晶，并在生长前端形成再入角凹槽结构；同时，石墨在金刚石（111̅）面择优形成，遵循（111̅）金刚石//（002）石墨的取向关系，在纳米片两侧面形成石墨壳层。

第一性原理计算表明，孪晶再入角凹槽处形成稳定六元环核所需的碳原子数少于常规（111）面，且环闭合反应能更低（-8.63 eV vs -6.8 eV），因此在热力学上更有利于碳原子的择优添加，从而显著加速（111）面侧向延伸。同时，高温增强了碳氢物种的表面扩散，进一步促进了碳原子在凹槽处的富集。而石墨壳层则作为阻挡层，有效抑制了垂直于（111）面方向的生长。在“侧向加速生长”与“法向抑制生长”的协同驱动下，最终形成了厚度仅数纳米至十余纳米的二维金刚石纳米片。

该研究首次系统阐明了平面缺陷与石墨在二维金刚石化学气相沉积生长中的双重驱动作用，所揭示的机制具有普适性，可推广至不同氮掺杂或无氮掺杂条件下的二维金刚石生长体系。这一发现为二维金刚石的微观结构工程和性能调控提供了重要的理论基础，将有力推动其在纳米电子学和纳米光子学器件中的应用探索。

相关成果以“Two-Dimensional Diamond Formation Drivers in Chemical Vapor Deposition: Planar Defects and Graphite”为题发表于 Crystal Growth & Design（2023, 23, 2321–2330）。论文第一作者为翟朝峰副研究员，通讯作者为黄楠研究员和姜辛教授。该研究得到了国家自然科学基金、金属所创新基金、沈阳材料科学国家实验室青年人才计划、辽宁省科技计划项目和中国科学院战略先导专项等项目的资助。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.cgd.2c01338

图1：二维金刚石纳米片的制备流程与微观结构表征

图2：碳原子择优添加的理论计算及生长模型示意图