En ny todimensionel carbon-allotrop:Halvledende diamane-film syntetiseret

Atomisk tynd diamant, også kaldet diamane, er en todimensionel kulstofallotrop og har tiltrukket sig betydelig videnskabelig interesse på grund af dens potentielle fysiske egenskaber. Imidlertid, Tidligere undersøgelser tyder på, at atomisk tynde diamantfilm ikke er opnåelige i en uberørt tilstand, fordi diamanter har en tredimensionel krystallinsk struktur og ville mangle kemisk stabilitet, når de fortyndes ned til tykkelsen af ​​diamantens enhedscelle på grund af de dinglende sp3-bindinger. Kemisk funktionalisering af overfladens kulstof med specifikke kemiske grupper blev anset for nødvendig for at stabilisere den todimensionelle struktur, såsom overfladehydrogenering eller fluorering, og forskellige substrater er også blevet brugt i disse syntetiseringsforsøg. Men alle disse forsøg ændrer sammensætningen af ​​diamantfilm, det vil sige, den vellykkede syntese af en uberørt diamane er indtil nu ikke blevet opnået.

Regulering af faseovergangsprocessen for kulstofmaterialer under højt tryk og høj temperatur er altid en ligetil metode til at opnå diamantisering. Her, et team af videnskabsmænd ledet af Dr. Feng Ke og Bin Chen fra HPSTAR (Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research) brugte denne direkte tilgang, diamantisering af mekanisk eksfolieret få-lags grafen via kompression, at syntetisere den længe efterspurgte diamane-film. Undersøgelsen er offentliggjort i Nano bogstaver .

Diamantiseringsprocessen ledsages sædvanligvis af en åbning af et energigab og en dramatisk modstandsforøgelse på grund af sp2-sp3 rehybridisering mellem carbonatomer. "In-situ elektriske transportmålinger af få-lags grafen er vanskelige at udføre under højt tryk, " sagde Feng Ke. "Men, ved at bruge vores nyligt udviklede fotolitografi-baserede mikroledningsteknik til at forberede filmelektroder på en diamantoverflade til modstandsmålinger, vi er i stand til at studere den trykinducerede sp2-sp3-diamantiseringsovergang af mekanisk eksfolieret grafen med lagtykkelse fra 12 til dobbeltlag ved stuetemperatur."

Deres undersøgelser viser, at uberørt h-diaman kunne syntetiseres ved at komprimere trelags og tykkere grafen til over 20 GPa ved stuetemperatur, som en gang syntetiseret kunne bevares til ca. 1,0 GPa ved dekompression. "Den optiske absorption afslører, at h-diamane har et energigab på 2,8 ± 0,3 eV, og yderligere båndstrukturberegninger bekræfter et indirekte båndgab på 2,7-2,9 eV, " forklarede co-frist-forfatteren Lingkong Zhang, en ph.d. studerende på HPSTAR. "Sammenlignet med hulfri grafen, halvledende h-diamane tilbyder spændende muligheder for kulstofbaserede elektroniske enheder."

XRD-målingerne har vist, at overgangen fra få-lags grafen til h-diamane er en gradvis strukturel overgang, som hjælper med at forstå den kontinuerlige modstandsforøgelse og absorbansfald i trelags og tykkere grafen med tryk over overgangstrykket. Teoretiske beregninger indikerer, at en orienteret h-diaman er energetisk stabil og har en lavere entalpi end dens få-lags grafenprækursor over overgangstrykket.

"Ligesom opdagelsen af ​​grafen, kulstof nanorør, fullerener, og andre nye kulstofallotroper, realiseringen af ​​en uberørt diamane repræsenterer endnu en spændende præstation inden for materialevidenskab, " tilføjede Dr. Bin Chen, "Termisk behandling ved højt tryk kan være nyttig for at bevare en uberørt h-diamane til det omgivende tryk, som foreslået fra højtemperatur- og højtryksmetoden til at syntetisere en trykhærdende h-diamant. Udfordringerne er stadig med at opnå bevarelse og industrielle anvendelser af diamane."