Forvandler grafit til diamant

(Phys.org) – Et forskerhold ledet af SLAC-forskere har afsløret en potentiel ny vej til at producere tynde diamantfilm til en række industrielle anvendelser, fra skærende værktøjer til elektroniske enheder til elektrokemiske sensorer.

Forskerne tilføjede et par lag grafen - et-atom tykke plader af grafit - til en metalstøtte og udsatte det øverste lag for brint. Til deres overraskelse, reaktionen ved overfladen udløste en dominoeffekt, der ændrede strukturen af ​​alle grafenlagene fra grafitlignende til diamantlignende.

"Vi giver det første eksperimentelle bevis på, at hydrogenering kan inducere en sådan overgang i grafen, " siger Sarp Kaya, forsker ved SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis og tilsvarende forfatter til den nylige undersøgelse.

Fra blyantbly til diamant

Grafit og diamant er to former for det samme kemiske element, kulstof. Endnu, deres egenskaber kunne ikke være mere anderledes. I grafit, kulstofatomer er arrangeret i plane plader, der let kan glide mod hinanden. Denne struktur gør materialet meget blødt, og det kan bruges i produkter som blyantbly.

I diamant, på den anden side, carbonatomerne er stærkt bundet i alle retninger; derfor er diamant ekstremt hårdt. Udover mekanisk styrke, dens ekstraordinære elektriske, optiske og kemiske egenskaber bidrager til diamants store værdi til industrielle anvendelser.

Forskere ønsker at forstå og kontrollere den strukturelle overgang mellem forskellige kulstofformer for selektivt at omdanne hinanden til hinanden. En måde at omdanne grafit til diamant er ved at påføre tryk. Imidlertid, da grafit er den mest stabile form for kulstof under normale forhold, det tager cirka 150,- 000 gange det atmosfæriske tryk ved Jordens overflade for at gøre det.

Nu, en alternativ måde, der fungerer på nanoskalaen, er inden for rækkevidde. "Vores undersøgelse viser, at hydrogenering af grafen kunne være en ny vej til at syntetisere ultratynde diamantlignende film uden at påføre tryk, " siger Kaya.

Domino effekt

For deres eksperimenter, forskerne fyldte en platinstøtte med op til fire ark grafen og tilføjede brint til det øverste lag. Ved hjælp af intense røntgenstråler fra SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL, Beam Line 13-2) og yderligere teoretiske beregninger udført af SUNCAT-forsker Frank Abild-Pedersen, holdet fastslog derefter, hvordan brint påvirkede den lagdelte struktur.

De fandt ud af, at brintbinding initierede en dominoeffekt, med strukturelle ændringer, der forplanter sig fra prøvens overflade gennem alle kulstoflagene nedenunder, at omdanne den oprindelige grafitlignende struktur af plane kulstofplader til et arrangement af kulstofatomer, der ligner diamant.

Opdagelsen var uventet. Det oprindelige mål med eksperimentet var at se, om tilsætning af brint kunne ændre grafens egenskaber på en måde, der ville gøre det anvendeligt i transistorer, den grundlæggende byggesten i elektroniske enheder. I stedet, forskerne opdagede, at brintbinding resulterede i dannelsen af ​​kemiske bindinger mellem grafen og platinsubstratet.

Det viser sig, at disse bindinger er afgørende for dominoeffekten. "For at denne proces skal være stabil, platinsubstratet skal binde til det kulstoflag, der er tættest på det, " Kaya forklarer. "Platins evne til at danne disse bindinger bestemmer den overordnede stabilitet af den diamantlignende film."

Fremtidig forskning vil udforske det fulde potentiale af hydrogeneret få-lags grafen til anvendelser inden for materialevidenskab. Det vil være særligt interessant at afgøre, om diamantlignende film kan dyrkes på andre metalsubstrater, ved hjælp af grafen af ​​forskellige tykkelser.