Kunnen twee lagen van de "koning van de wondermaterialen, "d.w.z. grafeen, worden gekoppeld en omgezet in het dunste diamantachtige materiaal, de "koning van de kristallen?" Onderzoekers van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) binnen het Institute for Basic Science (IBS, Zuid-Korea) hebben gemeld in Natuur Nanotechnologie de eerste experimentele waarneming van een chemisch geïnduceerde omzetting van dubbellaags grafeen met een groot oppervlak tot het dunst mogelijke diamantachtige materiaal, onder matige druk- en temperatuuromstandigheden. Deze flexibele, sterk materiaal is een halfgeleider met brede bandafstand, en heeft dus potentieel voor industriële toepassingen in nano-optica, nano-elektronica, en kan dienen als een veelbelovend platform voor micro- en nano-elektromechanische systemen.

Diamant, potlood grafiet, en grafeen worden gemaakt met dezelfde bouwstenen:koolstofatomen (C). Nog, het is de configuratie van de bindingen tussen deze atomen die het verschil maakt. In een diamant, de koolstofatomen zijn in alle richtingen sterk gebonden en creëren een extreem hard materiaal met buitengewone elektrische, thermisch, optische en chemische eigenschappen. In potloodlood, koolstofatomen zijn gerangschikt als een stapel vellen en elk vel is grafeen. Sterke koolstof-koolstof (C-C) bindingen vormen grafeen, maar zwakke bindingen tussen de vellen worden gemakkelijk verbroken en verklaren gedeeltelijk waarom potloodstift zacht is. Het creëren van een tussenlaagse binding tussen grafeenlagen vormt een 2D-materiaal, vergelijkbaar met dunne diamantfilms, bekend als diamane, met veel superieure eigenschappen.

Eerdere pogingen om dubbellaags of meerlaags grafeen om te zetten in diamane waren gebaseerd op de toevoeging van waterstofatomen, of hoge druk. In de vorige, de chemische structuur en de configuratie van de bindingen zijn moeilijk te controleren en te karakteriseren. In het laatstgenoemde, door het wegvallen van de druk keert het monster terug naar grafeen. Natuurlijke diamanten worden ook bij hoge temperatuur en druk gesmeed, diep in de aarde. Echter, IBS-CMCM-wetenschappers probeerden een andere winnende benadering.

Het team bedacht een nieuwe strategie om de vorming van diamane, door dubbellaags grafeen bloot te stellen aan fluor (F), in plaats van waterstof. Ze gebruikten dampen van xenondifluoride (XeF ₂ ) als de bron van F, en er was geen hoge druk nodig. Het resultaat is een ultradun diamantachtig materiaal, namelijk gefluoreerde diamant monolaag:F-diamane, met tussenlaagbindingen en F buiten.

Voor een meer gedetailleerde beschrijving; de F-diamane-synthese werd bereikt door het fluoreren van dubbellaags grafeen met een groot oppervlak op eenkristalmetaal (CuNi (111) legering) folie, waarop het benodigde type dubbellaags grafeen is gegroeid via chemische dampafzetting (CVD).

handig, C-F-bindingen kunnen gemakkelijk worden gekarakteriseerd en onderscheiden van C-C-bindingen. Het team analyseerde het monster na 12, 6, en 2-3 uur fluorering. Op basis van de uitgebreide spectroscopische studies en ook transmissie-elektronenmicroscopie, de onderzoekers konden ondubbelzinnig aantonen dat de toevoeging van fluor op dubbellaags grafeen onder bepaalde goed gedefinieerde en reproduceerbare omstandigheden resulteert in de vorming van F-diamane. Bijvoorbeeld, de tussenlaagruimte tussen twee grafeenvellen is 3,34 angstrom, maar wordt gereduceerd tot 1,93-2,18 angstrom wanneer de tussenlaagbindingen worden gevormd, zoals ook voorspeld door de theoretische studies.

"Deze eenvoudige fluoreringsmethode werkt bij bijna kamertemperatuur en onder lage druk zonder het gebruik van plasma of gasactiveringsmechanismen, vermindert daardoor de kans op het creëren van defecten, " wijst op Pavel V. Bakharev, de eerste auteur en co-corresponderende auteur.

Bovendien, de F-diamane-film kon vrij worden opgehangen. "We ontdekten dat we een vrijstaande monolaag-diamant konden verkrijgen door F-diamane van het CuNi (111)-substraat over te brengen naar een transmissie-elektronenmicroscoopraster, gevolgd door een nieuwe ronde van milde fluorering, " zegt Ming Huang, een van de eerste auteurs.

Rodney S. Ruoff, CMCM-directeur en professor aan het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) merkt op dat dit werk wereldwijde belangstelling voor diamanen zou kunnen opwekken, de dunste diamantachtige films, waarvan de elektronische en mechanische eigenschappen kunnen worden afgestemd door de oppervlakteterminatie te wijzigen met behulp van nanopatronen en/of substitutiereactietechnieken. Hij merkt verder op dat dergelijke diamane-films uiteindelijk ook een route kunnen bieden naar monokristallijne diamantfilms met een zeer groot oppervlak.