不需高温高压!韩国科学家另辟蹊径,将石墨烯转化为超薄金刚石膜

2019年12月10日 分类:石墨烯新闻 作者:茶马星球视野

石墨烯被称为“神奇材料之王”,那么科学研究是否可以连接两层石墨烯并转化成最薄的类金刚石材料呢?

韩国基础科学研究所所属的多维碳材料研究中心,对大面积双层石墨烯在中等压力和温度下通过化学诱导转化为最薄的类金刚石材料,成功进行了首个实验观察。该研究发表在最近的《自然纳米技术》上。

这种柔性,坚固的材料是宽频带隙半导体,因此未来在纳米光学,纳米电子学等领域中具有潜在的工业应用前景,并且有希望用于微机电系统和纳米机电系统的平台。

钻石、铅笔芯和石墨烯都是由碳原子构成的。然而正是碳原子间的键构型不同导致了它们的区别。在钻石中,碳原子在各个方向上紧密结合,形成了一种极其坚硬的材料,并且具有非凡的电学、热学、光学和化学性能。而在铅笔芯中,碳原子排列成一堆薄片,每个薄片都是石墨烯。强碳碳键构成石墨烯,但薄片之间的弱键很容易断裂,这在一定程度上解释了为什么铅笔芯是软的。

在石墨烯层之间建立层间键合,会形成一种类似于薄金刚石薄膜的二维材料,这种被称为diamane的类金刚石材料具有许多优越的特性。

以往将双分子层或多层石墨烯转化为类金刚石材料的尝试都是依靠添加氢原子或高压。前者的化学结构和键的构型难以控制和表征。在后者的情况下,压力的释放会使样品恢复到石墨烯。而天然钻石是在地球深处的高温高压下锻造出来的。现在韩国的科学家们成功尝试了另一种不同的获取方法。

该团队设计了一个新的策略,通过将双层石墨烯暴露于氟而不是氢气中来促进这种新材料的形成。他们使用二氟化氙蒸气(XeF 2)作为氟的来源,这样不需要高压。于是就形成了超薄的类金刚石材料,即氟化金刚石单层,它具有层间键和外部氟。新材料的合成是通过在单晶金属箔上对大面积双层石墨烯进行氟化处理来实现的,在此基础上通过化学气相沉积(CVD)法生长出所需类型的双层石墨烯。

该研究的第一作者兼共同通讯作者帕维尔·巴哈列夫指出:这种简单的氟化方法可在接近室温且低压下工作,而无需使用等离子体或任何气体活化机制,因此减少了产生缺陷的可能性 ,而且可以自由地悬挂氟膜。第一作者之一黄明(音译)说:“我们发现可以通过将F-diamane从CuNi(111)基板转移到透射电子显微镜栅格上,然后进行另一轮温和的氟化反应,于是就可以陈工得到独立的单层金刚石。”

韩国蔚山国立科学技术学院教授、多维材料研究中心主任Rodney S. Ruoff指出,这项工作可能会激发全世界对类金刚石材料的兴趣,它是最薄的类金刚石薄膜,其电子和机械性能可以通过采用纳米模式及替代反应技术的表面终止技术来进行调整。他进一步指出,这种金刚石薄膜最终可能还会为大面积单晶金刚石薄膜的生产提供一条途径。

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