Een nieuwe tweedimensionale koolstofallotroop: gesynthetiseerde halfgeleidende diamaanfilm

Atoomdunne diamant, ook wel diamaan genoemd, is een tweedimensionale koolstofallotroop en heeft door zijn potentiële fysische eigenschappen aanzienlijke wetenschappelijke belangstelling gewekt. Eerdere studies suggereren echter dat atomair dunne diamantfilms niet haalbaar zijn in een onberispelijke staat omdat diamanten een driedimensionale kristallijne structuur hebben en chemische stabiliteit missen wanneer ze worden verdund tot de dikte van de eenheidscel van diamant vanwege de bungelende sp3-bindingen. Chemische functionalisering van de oppervlaktekoolstoffen met specifieke chemische groepen werd noodzakelijk geacht om de tweedimensionale structuur te stabiliseren, zoals oppervlaktehydrogenering of fluorering, en verschillende substraten zijn ook gebruikt bij deze synthesepogingen. Maar al deze pogingen veranderen de samenstelling van diamantfilms, dat wil zeggen dat de succesvolle synthese van een ongerept diamaan tot nu toe niet is bereikt.

Het reguleren van het faseovergangsproces van koolstofmaterialen onder hoge druk en hoge temperatuur is altijd een eenvoudige methode om diamantvorming te bereiken. Hier heeft een team van wetenschappers onder leiding van Drs. Feng Ke en Bin Chen van HPSTAR (het Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research) gebruikten deze directe benadering, diamantisering van mechanisch geëxfolieerd grafeen met enkele lagen via compressie, om de lang gewilde diamaanfilm te synthetiseren. De studie is gepubliceerd in Nano Letters.

Het diamantvormingsproces gaat meestal gepaard met het openen van een energiekloof en een dramatische toename van de weerstand als gevolg van de sp2-sp3-rehybridisatie tussen koolstofatomen. “De in-situ metingen van elektrisch transport van enkele lagen grafeen zijn moeilijk uit te voeren onder hoge druk”, aldus Feng Ke. “Door onze recent ontwikkelde fotolithografie-gebaseerde microwiring-techniek te gebruiken om filmelektroden op een diamantoppervlak voor weerstandsmetingen voor te bereiden, zijn we in staat om de door druk geïnduceerde sp2-sp3-diamantvormingsovergang van mechanisch geëxfolieerd grafeen met een laagdikte van 12 tot dubbellaag bij kamertemperatuur. “

Hun studies tonen aan dat ongerept h-diamaan kan worden gesynthetiseerd door drielaags en dikker grafeen bij kamertemperatuur samen te persen tot boven de 20 GPa, dat na decompressie kan worden bewaard tot ongeveer 1,0 GPa. “De optische absorptie onthult dat h-diamaan een energiekloof heeft van 2,8 ± 0,3 eV, en verdere berekeningen van de bandstructuur bevestigen een indirecte bandafstand van 2,7-2,9 eV,” verklaarde co-frist-auteur Lingkong Zhang, een Ph.D . student bij HPSTAR. “Vergeleken met gapless grafeen biedt halfgeleidende h-diamaan opwindende mogelijkheden voor op koolstof gebaseerde elektronische apparaten.”

De XRD-metingen hebben aangetoond dat de overgang van enkele lagen grafeen naar h-diamaan een geleidelijke structurele overgang is, wat helpt bij het begrijpen van de continue toename van weerstand en afname van de absorptie in drielaags en dikker grafeen met een druk boven de overgangsdruk. Theoretische berekeningen geven aan dat een georiënteerd h-diamaan energetisch stabiel is en een lagere enthalpie heeft dan zijn voorloper uit een paar lagen grafeen boven de overgangsdruk.

“Net als de ontdekking van grafeen, koolstofnanobuisjes, fullerenen en andere nieuwe koolstofallotropen, vertegenwoordigt de realisatie van een ongerepte diamaan een andere opwindende prestatie in de materiaalkunde”, voegde Dr. Bin Chen eraan toe, “Thermische behandeling onder hoge druk kan nuttig zijn om te behouden een ongerepte h-diamaan tot omgevingsdruk, zoals gesuggereerd door de hoge temperatuur en hoge druk methode om een ​​onder druk blussenbare h-diamant te synthetiseren. De uitdagingen blijven nog om de conservering en industriële toepassingen van diamaan te bereiken. ”