02.11.2020 - Rice University

Wissenschaftler finden Weg zu Nanodiamant aus Graphen

Ein Druckpunkt ermöglicht die chemische Umwandlung in gehärtetes 2D-Material

Die Verbindung von zwei Graphenschichten ist ein einfacher Weg zur glückseligen Bildung von nanoskaligem Diamant, aber manchmal ist eine dickere Schicht besser.

Während es vielleicht nur ein wenig Hitze braucht, um eine behandelte Doppelschicht des ultradünnen Materials in ein kubisches Diaman-Gitter zu verwandeln, kann ein bisschen Druck an genau der richtigen Stelle auch Graphen mit wenigen Schichten umwandeln.

Der ansonsten chemisch angetriebene Prozess ist theoretisch möglich, so Wissenschaftler der Rice University, die ihre neuesten Überlegungen zur Herstellung von hochwertigem Diaman - der 2D-Form des Diamanten - in der Zeitschrift Small veröffentlicht haben.

Die Forschungen des Materialtheoretikers Boris Yakobson und seiner Kollegen von der Rice's Brown School of Engineering deuten darauf hin, dass ein punktueller Druck auf Wenigschichtgraphen, die atomar dünne Form von Kohlenstoff, die für ihre erstaunliche Stärke bekannt ist, eine chemische Oberflächenreaktion mit Wasserstoff oder Fluor auslösen kann.

Von dort aus sollte sich das diamantartige Gitter im gesamten Material ausbreiten, wenn Wasserstoff- oder Fluoratome oben und unten aufleuchten und sich kovalent an die Oberflächen binden, wodurch Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbindungen zwischen den Schichten entstehen.

Der auf diesen einen Punkt ausgeübte Druck - so klein wie einige Nanometer - ist für eine Doppelschicht völlig unnötig, wird aber für dickere Schichten benötigt und muss für dickere Filme zunehmend stärker werden, sagte Yakobson. Die Herstellung von synthetischem Diamant aus Bulk-Graphit im industriellen Maßstab erfordert einen Druck von etwa 10-15 Gigapascal oder 725.000 Pfund pro Quadratzoll.

"Erst im Nanomassstab - in diesem Fall bei einer Dicke im Nanometerbereich - wird es möglich, dass allein die Oberflächenchemie die Thermodynamik des Kristalls verändert und den Phasenwechselpunkt von sehr hohem Druck auf praktisch keinen Druck verschiebt", sagte er.

Eine einkristalline Diamantschicht für die Elektronik ist höchst wünschenswert. Das Material könnte als gehärteter Isolator oder als Wärmewandler zur Kühlung der Nanoelektronik eingesetzt werden. Es könnte dotiert werden, um als Halbleiter mit breiter Bandlücke in Transistoren oder als Element in optischen Anwendungen zu dienen.

Yakobson und seine Kollegen entwickelten 2014 ein Phasendiagramm, um zu zeigen, wie Diaman thermodynamisch machbar sein könnte. Es gibt noch immer keinen einfachen Weg dorthin, aber die neue Arbeit fügt eine kritische Komponente hinzu, die der früheren Forschung fehlte: eine Möglichkeit, die energetische Barriere zur Keimbildung zu überwinden, die die Reaktion in Schach hält.

"Bisher wurde nur zweischichtiges Graphen reproduzierbar in Diaman umgewandelt, aber durch reine Chemie", sagte Yakobson. "Die Kombination mit einer Prise lokalen Drucks und der Mechanochemie, die sie auslöst, scheint ein vielversprechender Weg zu sein, der versucht werden sollte.

"Bei dickeren Filmen steigt die Barriere mit der Anzahl der Schichten schnell an", fügte Koautor und ehemaliger Postdoc-Assistent von Rice, Pavel Sorokin, hinzu. "Äußerer Druck kann diese Barriere verringern, aber Chemie und Druck müssen zusammenspielen, um einen 2D-Diamanten zu erhalten.

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