科技珍宝,将石墨烯转化为类金刚石薄膜

2019年12月11日 分类:石墨烯新闻 作者:科技工作者

上图为双层石墨烯和氟化石墨烯的优化模型,橙色球和灰色球分别代表氟原子和碳原子。下图为双层石墨烯和氟化石墨烯的横断面透射电子显微镜照片。

 

石墨烯有“神奇材料之王”的美誉。强碳碳键构筑起了石墨烯的平面结构,但石墨烯的层间键合较弱。金刚石被称为“晶体之王”,其碳原子在各个方向上紧密结合,形成超硬结构,并具有非凡的电学、热学、光学和化学性能。如果能在石墨烯层间建立类金刚石键合,由此得到的新材料将具备许多优越的特性。

 

据《自然·纳米技术》杂志近日报道,多维碳材料研究中心(CMCM)和韩国基础科学研究所(IBS)的研究人员首次在实验室研究了适宜条件下,化学诱导转化大面积双层石墨烯类金刚石材料的可行性。研究人员认为,这种柔韧、坚固的材料是一种宽频带隙半导体,在纳米光学、纳米电子学等领域有潜在的应用前景。

 

此前,研究人员多使用加氢原子或高压的方式实现双层/多层石墨烯向类金刚石材料的转化。然而,前者会使化学结构和化学键构型难以控制和表征,后者存在释压后石墨烯会恢复原样的缺点。天然金刚石的形成条件更加苛刻,它们是在地球深处的高温高压条件下“锻造”出来的。为了在温和的条件下制造类金刚石材料,IBS-CMCM的科学家们设计了一种不涉及高压的新策略。他们使用XeF2作为氟源促进石墨烯的转化。最终,研究人员开发了一种超薄的类金刚石材料——单层氟化金刚石。

 

研究人员分别在氟化处理12小时、6小时和2~3小时后对样品进行了分析。他们发现,对双层石墨烯进行氟化处理可以生成单层氟化金刚石,并且实验具有可重复性。研究人员使用透射电镜等确证了单层氟化金刚石的形成:氟原子进入石墨烯后,石墨烯薄层的层间距由3.34埃减少到了1.93~2.18埃,这与理论预测一致。

 

论文作者Pavel V. Bakharev指出:“这种简单的氟化法可以在近室温和低压下使用,不涉及等离子体或气体激活,因此材料产生缺陷的可能性较低。”论文作者Ming Huang补充说:“我们还发现,将氟化单层从CuNi基板转移到透射电子显微镜的网格中,并进行另一轮温和的氟化处理后,可以得到一层独立的单层金刚石。”

 

CMCM主任、韩国微山国家科学技术研究所(UNIST)教授Rodney S. Ruoff表示,Huang等的研究可能会激发业界对类金刚石薄膜材料的兴趣。此外,Huang等用到的处理方法也为制备大面积单晶金刚石薄膜提供了借鉴。

 

编译:雷鑫宇 审稿:alone 责编:张梦

 

期刊来源:《自然·纳米技术》

 

期刊编号:1748-3387

 

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