木村　健太（谷村研究室）

指導教官
谷村　克己

Title
Direct conversion of graphite into diamond through electronic excited states
Abstract

　　Graphite and Diamond both consist of carbon atoms but have completely 
different physical properties. In normal condition, while the graphite 
phase is slightly more stable, the diamond phase can exist as a metastable 
state. Diamond has not only a value as a jewel but also a wide variety of 
extreme physical properties, so diamond has been expected as high 
performance devices. At present, we can synthesize diamond from graphite by 
applying high pressure at high temperature. However, such diamonds contain 
many impurities. In my presentation, I discuss graphite-diamond phase 
transition induced by electron excitation. This is the great way to 
synthesize impurity-free diamond at normal pressure and temperature.
　　First, I introduce the ab initio calculation performed by Nakayama et 
al.. From this calculation, they concluded that, if one can dope holes in 
graphite valence π band, graphite-diamond phase transition can be induced.
　　Second, I introduce my experiment, which aimes to confirm thier result. 
I actually injected holes in valence π band by femtosecond laser pulses 
and obserbed induced structural changing on graphite surface by means of 
scanning tunneling microscopy. In the result, I got a new crystalline phase 
on graphite that has never been reported, which is different from their 
calculational prediction.


概要

　　グラファイトとダイヤモンドは共に炭素原子からなるが、全く異なる物性を示 
す。通常、グラファイトの方がわずかに安定であり、ダイヤモンドは準安定構造とし 
て存在する。ダイヤモンドは宝石としての価値だけではなく、様々な点で優れた物性 
を持っているため、高性能半導体デバイスとしても期待されている。現在、高温の下 
で高圧をかけることにより、グラファイトからダイヤモンドへの合成は可能である。 
しかし、そのようなダイヤモンドは多くの不純物を含んでしまうという問題点があ 
る。本発表では、電子励起によるグラファイト−ダイヤモンド相転移について議論す 
る。これは、常温・常圧で不純物のないダイヤモンドを合成する、非常に画期的な方 
法である。
　まず、筆者らが行った第一原理計算について紹介する。それにより彼らは、バレン 
スπバンドに正孔を注入すれば、グラファイト−ダイヤモンド相転移が起こる可能性 
があるという結論を得た。
　次に、彼らの理論計算による結果を確かめるため、私が実際に行った実験について 
紹介する。私はフェムト秒レーザーパルスによってバレンスπバンドに正孔を注入 
し、そのときグラファイト表面上に誘起される構造変化を、走査型トンネル顕微鏡を 
用いて実際に観測した。その結果、彼らの計算予測とは異なり、グラファイト表面上 
にこれまでに報告されていない新表面相が創成されていた。

Reference

Hiroyuki NAKAYAMA and Hiroshi KATAYAMA-YOSHIDA 
Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)pp.L817-L819