Diamane:Diamantfilm muligt uden tryk

(Phys.org) -Perfekte diamantplader på et par atomer tykke ser ud til at være mulige selv uden det store pres, der laver naturlige ædelstene.

Forskere har spekuleret i det, og nogle få laboratorier har endda set tegn på det, de kalder diamane, en ekstrem tynd film af diamant, der har alle diamants overlegne halvledende og termiske egenskaber.

Nu har forskere ved Rice University og i Rusland beregnet et "fasediagram" for skabelsen af ​​diamane. Diagrammet er et køreplan. Den fastlægger betingelserne – temperatur, tryk og andre faktorer - det ville være nødvendigt for at forvandle stablede plader af grafen til et fejlfrit diamantgitter.

I processen, forskerne fastslog, at diamane kunne fremstilles fuldstændig kemisk, helt uden pres, under nogle omstændigheder.

Holdet ledet af Rice teoretiske fysiker Boris Yakobson og Pavel Sorokin, en tidligere postdoc ved Rice og nu seniorforsker ved Teknologisk Institut for Superhard and Novel Carbon Materials i Moskva, rapporterede resultater i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

"Diamanes har et bredt anvendelsesområde, " sagde Sorokin. "De kan påføres som meget tynde, dielektriske hårde film i nanokondensatorer eller mekanisk stive, nanotykke elementer i nanoelektronik. Også, diamaner har potentiale til anvendelse i nano-optik.

"Muligheden for at opnå sådan et kvasi-todimensionelt objekt er spændende, men tilgængelige eksperimentelle data forhindrer forventningen om dens fremstilling ved hjælp af traditionelle metoder. Imidlertid, 'bottom-up' tilgangen foreslået af Richard Feynman tillader fremstilling af diamaner fra mindre genstande, såsom grafen. "

Forskerne byggede computermodeller for at simulere de kræfter, der anvendes af hvert atom, der er involveret i processen. Det inkluderer grafen, den enkeltatom-tykke form for kulstof og et af de stærkeste stoffer i universet, samt brinten (eller, skiftevis, et halogen), der fremmer reaktionen.

Betingelser, de lærte, skal være det helt rigtige, for at en kort stak grafenpandekager kan falde sammen til en diamantmatrix – eller omvendt – via kemi.

"Et fasediagram viser dig, hvilken fase der dominerer jordtilstanden for hvert tryk og temperatur, " sagde Yakobson. "I tilfælde af diamane, diagrammet er usædvanligt, fordi resultatet også afhænger af tykkelsen, antallet af lag af grafen. Så vi har en ny parameter."

Brint er ikke den eneste mulige katalysator, han sagde, men det er den, de brugte i deres beregninger. "Når brintet angriber, det tager en elektron fra et kulstofatom i grafen. Som resultat, en binding brydes, og endnu en elektron hænger på den anden side af grafenlaget. Det er nu gratis at forbinde til et kulstofatom på det tilstødende ark med lidt eller intet tryk.

"Hvis du har flere lag, du får en dominoeffekt, hvor brint starter en reaktion ovenpå, og det formerer sig gennem det bundne kulstofsystem, " sagde han. "Når den lyner hele vejen igennem, faseovergangen er fuldført, og krystalstrukturen er diamantens. "

Yakobson sagde, at papiret ikke dækker en mulig deal-breaker. "Omdannelsen fra en fase til en anden starter fra et lille frø, et nukleationssted, og i denne proces er der altid det, der kaldes en nukleationsbarriere. Det beregner vi ikke her." Han sagde, at kulstof normalt foretrækker at være grafit (den største form for kulstof, der bruges som blyantbly) frem for diamant, men en høj nukleationsbarriere forhindrer diamant i at foretage overgangen.

"Termodynamisk, en eksisterende diamant skal blive til grafit, men det sker ikke af præcis denne grund, " sagde Yakobson. "Så nogle gange er det en god ting. Men hvis vi vil lave flad diamant, vi er nødt til at finde måder at omgå denne barriere."

Han sagde, at fremstillingen af ​​syntetisk diamant, som først blev pålideligt lavet i 1950'erne, kræver meget høje tryk på omkring 725, 000 pund per kvadrattomme. Fremstillede diamanter bruges i hærdede værktøjer til skæring, som slibemidler og endda som ædelsten af ​​høj kvalitet dyrket via teknikker, der simulerer de temperaturer og tryk, der findes dybt inde i Jorden, hvor naturlig diamant er smedet.

Diamantfilm fremstilles også rutinemæssigt via kemisk dampaflejring, "men de er altid af meget dårlig kvalitet, fordi de er polykrystallinske, " sagde Yakobson. "Til mekaniske formål, som meget dyrt sandpapir, de er perfekte. Men for elektronik, du skal bruge høj kvalitet, for at den kan fungere som en bredbåndsgab-halvleder."