(Phys.org) —En forskargrupp ledd av SLAC-forskare har avslöjat en potentiell ny väg för att producera tunna diamantfilmer för en mängd olika industriella tillämpningar, från skärverktyg till elektroniska enheter till elektrokemiska sensorer.

Forskarna lade till några lager grafen – enatoms tjocka ark av grafit – till ett metallstöd och exponerade det översta lagret för väte. Till deras förvåning, reaktionen på ytan satte igång en dominoeffekt som förändrade strukturen av alla grafenskikten från grafitliknande till diamantliknande.

"Vi tillhandahåller det första experimentella beviset på att hydrering kan inducera en sådan övergång i grafen, säger Sarp Kaya, forskare vid SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis och motsvarande författare till den senaste studien.

Från blyertspenna till diamant

Grafit och diamant är två former av samma kemiska element, kol. Än, deras egenskaper kunde inte vara mer olika. I grafit, kolatomer är ordnade i plana ark som lätt kan glida mot varandra. Denna struktur gör materialet mycket mjukt och det kan användas i produkter som blyertspenna.

I diamant, å andra sidan, kolatomerna är starkt bundna i alla riktningar; därför är diamant extremt hårt. Förutom mekanisk styrka, dess extraordinära elektriska, optiska och kemiska egenskaper bidrar till diamantens stora värde för industriella tillämpningar.

Forskare vill förstå och kontrollera den strukturella övergången mellan olika kolformer för att selektivt omvandla varandra till varandra. Ett sätt att förvandla grafit till diamant är genom att applicera tryck. Dock, eftersom grafit är den mest stabila formen av kol under normala förhållanden, det tar cirka 150, 000 gånger atmosfärstrycket på jordens yta för att göra det.

Nu, ett alternativt sätt som fungerar på nanoskala är inom räckhåll. "Vår studie visar att hydrering av grafen kan vara en ny väg för att syntetisera ultratunna diamantliknande filmer utan att applicera tryck, " säger Kaya.

Dominoeffekt

För sina experiment, forskarna laddade ett platinastöd med upp till fyra ark grafen och tillsatte väte till det översta lagret. Med hjälp av intensiva röntgenstrålar från SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL, Beam Line 13-2) och ytterligare teoretiska beräkningar utförda av SUNCAT-forskaren Frank Abild-Pedersen, teamet bestämde sedan hur väte påverkade den skiktade strukturen.

De fann att vätebindning initierade en dominoeffekt, med strukturella förändringar som fortplantar sig från provets yta genom alla kollager under, att förvandla den ursprungliga grafitliknande strukturen hos plana kolskivor till ett arrangemang av kolatomer som liknar diamant.

Upptäckten var oväntad. Det ursprungliga målet med experimentet var att se om tillsats av väte kunde förändra grafens egenskaper på ett sätt som skulle göra det användbart i transistorer, den grundläggande byggstenen för elektroniska enheter. Istället, forskarna upptäckte att vätebindning resulterade i bildandet av kemiska bindningar mellan grafen och platinasubstratet.

Det visar sig att dessa bindningar är avgörande för dominoeffekten. "För att denna process ska vara stabil, platinasubstratet måste binda till kolskiktet närmast det, " Kaya förklarar. "Platinas förmåga att bilda dessa bindningar bestämmer den totala stabiliteten hos den diamantliknande filmen."

Framtida forskning kommer att utforska den fulla potentialen hos hydrerad fålagergrafen för tillämpningar inom materialvetenskap. Det kommer att vara särskilt intressant att avgöra om diamantliknande filmer kan odlas på andra metallsubstrat, använda grafen av olika tjocklekar.