金刚石具有超高硬度、超高热导率、宽透光波段等诸多优异特性，通过硼掺杂可引入电子和空穴等缺陷，使金刚石兼具适合半导体应用的良好电导率；近年来，具有导电特性的硼掺杂金刚石（BDD）被创新性地应用在大腔体压机超高温高压实验上，在大腔体高压环境下可产生2600 K以上的超高温，且具有透X光衍射的特性，在大腔体超高温实验关键技术和地球科学领域的应用均取得重要突破。

大腔体高温高压实验中，热电偶会在2600 K以上失效，2600 K以上的温度往往是通过功率和低温的关系推算得到，不同的拟合方程得到的温度数值差异性非常大（>300K），由于缺乏合适的测温手段，超过2600 K的温度测定以及BDD加热器内部的温度分布一直悬而未决，难以满足超高温高压极端条件下物质科学的探索需求。

基于此，研究团队在吉林大学国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置-高温高压大体积材料研究系统”开展了系列大腔体BDD的超高温高压实验，在28万大气压下利用BDD加热器展开了高温熔融实验，并且建立了和大腔体真实实验匹配的三维交流电（3D&AC）加热数值模型，验证了其在温度测算方面应用的准确性，同时揭示了BDD加热器内部的温度分布情况，相关研究成果于2024年4月4日以“A Virtual Thermometer for Ultrahigh-temperature–pressure Experiments in A Large-volume Press”发表在Matter and Radiation at Extremes学术期刊上。

图1 大腔体压机高压下的超高温实验产物的背散射图片

图2 28万大气压高压下温度产生理论模拟值与实验值对比

研究团队创新性地将大腔体高压实验中的交流电加热模式和产温数据纳入有限元计算，进一步囊括压缩后的组装实际尺寸、电极、热电偶和碳化钨压砧的产热散热等影响因素，建立了符合大腔体实验的3D&AC超高温组装模型，成功验证了有效实验测温范围内（<2600 K ）的功率和温度关系。对2600 K以上的温度估算误差分析表明，在3500 K时的平均模拟误差约为80 K，这远小于加热功率-温度外推法得到的误差（>300 K）。研究结果还进一步揭示了BDD加热器内部的温度分布（<83 K/mm），发现BDD加热器比传统加热器（100–200 K/mm，如石墨或LaCrO₃加热器）的温度产生更为均匀。本研究不仅提高了极端高压条件下温度测量和估算的准确性，而且推动了BDD材料未来在材料、地学、物理等科学研究领域的广泛应用。

吉林大学超硬材料国家重点实验室、综合极端条件高压科学中心丰丙涛博士生为论文第一作者，吉林大学刘兆东教授、英国伦敦大学谢龙剑博士、吉林大学胡阔助理研究员为论文共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林大学科技创新团队等项目的资助支持。

原文信息：

Bingtao Feng, Longjian Xie, Xuyuan Hou, Shucheng Liu, Luyao Chen, Xinyu Zhao, Chenyi Li, Qiang Zhou, Kuo Hu, Zhaodong Liu, Bingbing Liu; A virtual thermometer for ultrahigh-temperature–pressure experiments in a large-volume press. Matter Radiat. Extremes 1 July 2024; 9 (4): 047401. https://doi.org/10.1063/5.0184031

参考文献

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L. Xie, A. Yoneda, Z. Liu, K. Nishida and T. Katsura, Boron-doped diamond synthesized by chemical vapor deposition as a heating element in a multi-anvil apparatus, High Pressure Research, 40(3), 369-378 (2020).

L. Xie, Machinable boron-doped diamond as a practical heating element in multi-anvil apparatuses, Review of Scientific Instruments, 92(2), (2021).

L. Xie, A. Yoneda, D. Yamazaki, G. Manthilake, Y. Higo, Y. Tange, N. Guignot, A. King, M. Scheel and D. Andrault, Formation of bridgmanite-enriched layer at the top lower-mantle during magma ocean solidification, Nature Communications, 11(1), 548 (2020).