En teknisk juvel:Konvertering af grafen til diamantfilm

Kan to lag af "kongen af ​​vidundermaterialerne, "dvs. grafen, forbindes og omdannes til det tyndeste diamantlignende materiale, "Krystallernes konge?" Forskere fra Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) i Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) har rapporteret i Natur nanoteknologi den første eksperimentelle observation af en kemisk induceret omdannelse af dobbeltlagsgrafen med stort område til det tyndest mulige diamantlignende materiale, under moderate tryk- og temperaturforhold. Denne fleksible, stærkt materiale er en halvleder med bredbåndsgab, og har dermed potentiale til industrielle anvendelser inden for nano-optik, nanoelektronik, og kan tjene som en lovende platform for mikro- og nano-elektromekaniske systemer.

Diamant, blyant bly, og grafen er lavet med de samme byggesten:kulstofatomer (C). Endnu, det er bindingenes konfiguration mellem disse atomer, der gør hele forskellen. I en diamant, kulstofatomerne er stærkt bundet i alle retninger og skaber et ekstremt hårdt materiale med ekstraordinære elektriske, termisk, optiske og kemiske egenskaber. I blyant, carbonatomer er arrangeret som en bunke ark, og hvert ark er grafen. Stærke carbon-carbon (C-C) bindinger udgør grafen, men svage bindinger mellem arkene brydes let og forklarer til dels, hvorfor blyant bly er blødt. At skabe mellemlagsbinding mellem grafenlag danner et 2D-materiale, ligner tynde diamantfilm, kendt som diamane, med mange overlegne egenskaber.

Tidligere forsøg på at omdanne tolags- eller flerlagsgrafen til diamane var afhængige af tilsætning af brintatomer, eller højtryk. I den tidligere, den kemiske struktur og bindingernes konfiguration er svære at kontrollere og karakterisere. I sidstnævnte, frigivelsen af ​​trykket får prøven til at vende tilbage til grafen. Naturlige diamanter er også smedet ved høj temperatur og tryk, dybt inde i Jorden. Imidlertid, IBS-CMCM-forskere forsøgte en anden vindende tilgang.

Holdet udtænkte en ny strategi for at fremme dannelsen af ​​diamane, ved at udsætte tolagsgrafen for fluor (F), i stedet for brint. De brugte dampe af xenondifluorid (XeF ₂ ) som kilden til F, og der var ikke behov for højtryk. Resultatet er et ultratyndt diamantlignende materiale, nemlig fluoreret diamant monolag:F-diamane, med mellemlagsbindinger og F udenpå.

For en mere detaljeret beskrivelse; F-diamansyntesen blev opnået ved fluorering af stort areal todelt grafen på enkeltkrystalmetal (CuNi (111) legering) folie, hvorpå den nødvendige type dobbeltlagsgrafen blev dyrket via kemisk dampaflejring (CVD).

Bekvemt, C-F-bindinger kan let karakteriseres og skelnes fra C-C-bindinger. Holdet analyserede prøven efter 12. 6, og 2-3 timers fluorering. Baseret på de omfattende spektroskopiske undersøgelser og også transmissionselektronmikroskopi, forskerne var i stand til utvetydigt at vise, at tilsætning af fluor på dobbeltlagsgrafen under visse veldefinerede og reproducerbare forhold resulterer i dannelsen af ​​F-diamane. For eksempel, mellemlaget mellem to grafenplader er 3,34 ångstrøm, men reduceres til 1,93-2,18 ångstrøm, når mellemlagsbindingerne dannes, som også forudsagt af de teoretiske studier.

"Denne enkle fluoreringsmetode virker ved næsten stuetemperatur og under lavt tryk uden brug af plasma eller nogen gasaktiveringsmekanismer, reducerer dermed muligheden for at skabe defekter, "påpeger Pavel V. Bakharev, den første forfatter og medkorresponderende forfatter.

I øvrigt, F-diamane-filmen kunne frit hænges op. "Vi fandt ud af, at vi kunne få en fritstående monolags diamant ved at overføre F-diaman fra CuNi (111) -substratet til et transmissionselektronmikroskopgitter, efterfulgt af endnu en omgang mild fluorering, "siger Ming Huang, en af ​​de første forfattere.

Rodney S. Ruoff, CMCM-direktør og professor ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) bemærker, at dette arbejde kunne afføde verdensomspændende interesse for diamanes, de tyndeste diamantlignende film, hvis elektroniske og mekaniske egenskaber kan indstilles ved at ændre overfladeafslutningen ved hjælp af nanopatterning og/eller substitutionsreaktionsteknikker. Han bemærker endvidere, at sådanne diamane-film også i sidste ende kan give en rute til meget store enkeltkrystal-diamantfilm.