Atomiskt tunn diamant, även kallad diamane, är en tvådimensionell kolallotrop och har väckt stort vetenskapligt intresse på grund av dess potentiella fysikaliska egenskaper. Dock, Tidigare studier tyder på att atomärt tunna diamantfilmer inte kan uppnås i ett orördt tillstånd eftersom diamanter har en tredimensionell kristallin struktur och skulle sakna kemisk stabilitet när de tunnas ned till tjockleken på diamantens enhetscell på grund av de dinglande sp3-bindningarna. Kemisk funktionalisering av ytkolen med specifika kemiska grupper ansågs nödvändig för att stabilisera den tvådimensionella strukturen, såsom ythydrering eller fluorering, och olika substrat har också använts i dessa syntetiseringsförsök. Men alla dessa försök ändrar sammansättningen av diamantfilmer, det vill säga, den framgångsrika syntesen av en orörd diamane har hittills inte uppnåtts.

Att reglera fasövergångsprocessen för kolmaterial under högt tryck och hög temperatur är alltid en enkel metod för att uppnå diamantisering. Här, ett team av forskare ledda av Drs. Feng Ke och Bin Chen från HPSTAR (Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research) använde detta direkta tillvägagångssätt, diamantisering av mekaniskt exfolierad grafen med få lager via kompression, att syntetisera den länge eftertraktade diamane-filmen. Studien publiceras i Nanobokstäver .

Diamantiseringsprocessen åtföljs vanligtvis av en öppning av ett energigap och en dramatisk resistansökning på grund av sp2-sp3-rehybridiseringen mellan kolatomer. "In-situ elektriska transportmätningar av fålagers grafen är svåra att utföra under högt tryck, " sade Feng Ke. "Men, med vår nyligen utvecklade fotolitografibaserade mikroledningsteknik för att förbereda filmelektroder på en diamantyta för resistansmätningar, vi kan studera den tryckinducerade sp2-sp3-diamantiseringsövergången av mekaniskt exfolierad grafen med lagertjocklek som sträcker sig från 12- till dubbellager vid rumstemperatur."

Deras studier visar att orörd h-diaman kan syntetiseras genom att komprimera trelagers och tjockare grafen till över 20 GPa vid rumstemperatur, som en gång syntetiserat kunde bevaras till cirka 1,0 GPa vid dekompression. "Den optiska absorptionen avslöjar att h-diamane har ett energigap på 2,8 ± 0,3 eV, och ytterligare bandstrukturberäkningar bekräftar ett indirekt bandgap på 2,7-2,9 eV, " förklarade co-frist-författaren Lingkong Zhang, en Ph.D. student vid HPSTAR. "Jämfört med gapfri grafen, halvledande h-diamane erbjuder spännande möjligheter för kolbaserade elektroniska enheter."

XRD-mätningarna har visat att övergången från grafen till h-diamane med få lager är en gradvis strukturell övergång, vilket hjälper till att förstå den kontinuerliga motståndsökningen och absorbansminskningen i treskiktsgrafen och tjockare grafen med tryck över övergångstrycket. Teoretiska beräkningar indikerar att en orienterad h-diaman är energetiskt stabil och har en lägre entalpi än dess fålagers grafenprekursor över övergångstrycket.

"Som upptäckten av grafen, kolnanorör, fullerener, och andra nya kolallotroper, förverkligandet av en orörd diamane representerar en annan spännande prestation inom materialvetenskap, " tillade Dr Bin Chen, "Värmebehandling vid högt tryck kan vara till hjälp för att bevara en orörd h-diamane mot omgivande tryck, som föreslagits från högtemperatur- och högtrycksmetoden för att syntetisera en trycksläckbar h-diamant. Utmaningarna kvarstår fortfarande för att uppnå bevarandet och industriella tillämpningar av diamane."