納米金剛石（ND）主要通過爆轟或高壓高溫（HPHT）方法獲得。它們通常被非金剛石外殼包裹，從而導致發射猝滅和色心不穩定。此外，含氧和氮的顆粒表面上的官能團導致硬團聚。納米金剛石可以在高溫高壓金剛石粉碎后獲得，它們具有鋒利的邊緣，在工作環境中會劃傷表面并含有金屬雜質。這兩種技術都很耗時。其他制備納米金剛石的方法包括高能球磨、激光沖擊波等。

通常，CVD制備的納米金剛石直接在基底或晶種基底上成核，并且成核和生長過程在生長環境中連續發生，從而導致顆粒之間容易形成互連。考慮到獨立顆粒，必須在它們接觸之前停止生長，這將導致產量低。此外，由于顆粒對基材的粘附力很強，因此難以收集。由于這些方法的局限性，必須開發新的制備方法。在微波等離子體輔助化學氣相沉積 (MPCVD) 生長環境中，金剛石可能能夠在氣相中成核。然而，成核環境和生長機制尚未得到進一步研究。

近日，哈爾濱工業大學紅外薄膜與晶體團隊使用微波等離子體輔助化學氣相沉積（MPCVD）技術，通過調控等離子體狀態進行氣相成核，制備的納米金剛石具有高分散、純度高、形狀可控性好、缺陷密度低等優點，大大促進了納米金剛石在高精尖應用領域的應用競爭力。相關研究成果以“Vapor phase nucleation and sedimentation of dispersed nanodiamonds by MPCVD”為題發表于《Powder Technology》，并獲得中國發明專利。

圖1. (a)測量等離子體的OES和濾波片觀測方法示意圖;(b)鉬托盤示意圖;(c)鉬托盤和鉬柱的相對位置。

圖2. (a) 未使用MoC時Hα的空間分布 (b)使用MoC時Hα的空間分布

 圖3. (a)未使用MoC制備的NDs的SEM;(b-d)使用MoC制備的NDs的SEM&TEM

圖4. (a)在使用MoC前后納米金剛石的拉曼圖譜;(b)在使用MoC前后納米金剛石的XRD圖譜;(c)納米金剛石分散液

應用前景

目前，納米金剛石憑借其高比表面積、性質穩定、電化學窗口寬等、表面基團可修飾性、穩定色心等優異的性能被應用在精密拋光、電化學（藥物檢測、污水處理、環境監測等）、生物醫學（醫藥美膚、生物熒光成像、藥物運輸、基因治療、癌癥診斷與治療等）、量子光學（單光子光源）等前沿領域。

圖5. 利用納米金剛石內NV色心的超靈敏熒光標記功能開發的超敏感體外HIV診斷試紙

應用環境要求納米金剛石具有不同的形貌。具有規則晶型納米金剛石，由于可以為色心提供高質量環境，因此在量子器件、生物熒光標記成像、量子醫學診斷等方面有廣闊的發展空間。

圖6. 熒光納米金剛石的表面修飾與目標底物特異性結合，以及結合lock-in算法的納米金剛石與傳統納米金顆粒的信噪比對比

球形的納米金剛石，不僅具有極高的比表面積，穩定性和生物相容性，而且不會劃傷應用物體表面，如生物體皮膚，血管以及精密器件等，可通過 化學修飾負載攜帶藥物，在美容護膚、藥物運輸、靶向治療、電化學監測傳感領域等具有極高應用價值。 

研究人員通過設計鉬托盤的結構，調控等離子體中基團的分布，為納米金剛石創造氣相形核空間。這種方法制備的納米金剛石顆粒相比爆轟法和HPHT法更加純凈，突破了傳統CVD法制備的納米金剛石產量與薄膜形態限制，顆粒不僅產量高，保持分散并具有高的結晶度，在藥物運輸、生物成像、量子光源等領域具有極強的應用競爭力。

（來源：海光智能科技）