Överst:Optimerade modeller av tvåskiktsgrafen och F-diamane. Orange och grå sfärer representerar fluor och kolatomer, respektive. Nederst:Transmissionselektronmikrofotografier i tvärsnitt av tvåskiktsgrafen som växt och F-diamane med markerade mellanskikt och interatomära avstånd. Kredit:IBS
Kan två lager av "kungen av underverkets material, "dvs grafen, länkas och omvandlas till det tunnaste diamantliknande materialet, "kristallernas kung?" Forskare vid Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) inom Institutet för grundläggande vetenskap (IBS, Sydkorea) har rapporterat in Naturens nanoteknik den första experimentella observationen av en kemiskt inducerad omvandling av dubbelskiktsgrafen med stor yta till det tunnaste möjliga diamantliknande materialet, under måttliga tryck- och temperaturförhållanden. Denna flexibla, starkt material är en halvledare med bredbandsgap, och har därmed potential för industriella tillämpningar inom nanooptik, nanoelektronik, och kan fungera som en lovande plattform för mikro- och nanoelektromekaniska system.
Diamant, blyertspenna, och grafen är gjorda av samma byggstenar:kolatomer (C). Än, det är bindningarnas konfiguration mellan dessa atomer som gör hela skillnaden. I en diamant, kolatomerna är starkt bundna i alla riktningar och skapar ett extremt hårt material med extraordinära elektriska, termisk, optiska och kemiska egenskaper. I blyerts, kolatomer är ordnade som en hög med ark och varje ark är grafen. Starka kol-kol (C-C) bindningar utgör grafen, men svaga bindningar mellan arken bryts lätt och förklarar delvis varför blyertspenna är mjukt. Att skapa mellanskiktsbindning mellan grafenlager bildar ett 2D-material, liknande tunna diamantfilmer, känd som diamane, med många överlägsna egenskaper.
Tidigare försök att omvandla tvåskikts- eller flerskiktsgrafen till diaman förlitade sig på tillsats av väteatomer, eller högt tryck. I det förra, den kemiska strukturen och bindningarnas konfiguration är svåra att kontrollera och karakterisera. I det senare, frigörandet av trycket gör att provet återgår till grafen. Naturliga diamanter smides också vid hög temperatur och tryck, djupt inne i jorden. Dock, IBS-CMCM-forskare provade en annan vinnande metod.
Teamet tog fram en ny strategi för att främja bildandet av diamane, genom att exponera tvåskiktsgrafen för fluor (F), istället för väte. De använde ångor av xenondifluorid (XeF 2 ) som källa till F, och inget högtryck behövdes. Resultatet är ett ultratunt diamantliknande material, nämligen monolager av fluorerad diamant:F-diamane, med mellanskiktsbindningar och F utanför.
För en mer detaljerad beskrivning; F-diamane-syntesen uppnåddes genom att fluorera dubbelskiktsgrafen med stor yta på en kristallmetall (CuNi(111) legering) folie, på vilken den erforderliga typen av tvåskiktsgrafen odlades via kemisk ångdeposition (CVD).
Bekvämt, C-F-bindningar kan lätt karakteriseras och särskiljas från C-C-bindningar. Teamet analyserade provet efter 12, 6, och 2-3 timmars fluorering. Baserat på de omfattande spektroskopiska studierna och även transmissionselektronmikroskopi, forskarna kunde otvetydigt visa att tillsats av fluor på tvåskiktsgrafen under vissa väldefinierade och reproducerbara förhållanden resulterar i bildandet av F-diaman. Till exempel, mellanskiktsutrymmet mellan två grafenark är 3,34 ångström, men reduceras till 1,93-2,18 ångström när mellanskiktsbindningarna bildas, som också förutspåtts av de teoretiska studierna.
"Denna enkla fluoreringsmetod fungerar nära rumstemperatur och under lågt tryck utan användning av plasma eller några gasaktiveringsmekanismer, minskar därför möjligheten att skapa defekter, " påpekar Pavel V. Bakharev, första författaren och medkorrespondent författare.
Dessutom, F-diamane-filmen kunde hängas upp fritt. "Vi fann att vi kunde erhålla en fristående monolagerdiamant genom att överföra F-diamane från CuNi(111)-substratet till ett transmissionselektronmikroskopnät, följt av ytterligare en omgång mild fluorering, säger Ming Huang, en av de första författarna.
Rodney S. Ruoff, CMCM-direktör och professor vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) noterar att detta arbete kan skapa ett världsomspännande intresse för diamanes, de tunnaste diamantliknande filmerna, vars elektroniska och mekaniska egenskaper kan ställas in genom att ändra yttermineringen med användning av nanomönster och/eller substitutionsreaktionstekniker. Han noterar vidare att sådana diamanefilmer också så småningom kan ge en väg till enkristalldiamantfilmer med mycket stor yta.
