Team vindt pad naar nanodiamond uit grafeen

Het combineren van twee lagen grafeen is een gemakkelijke weg naar de zalige vorming van diamant op nanoschaal, maar soms is dikker beter.

Hoewel het misschien maar een beetje warmte kost om een ​​behandelde dubbellaag van het ultradunne materiaal in een kubusvormig rooster van diamaan te veranderen, kan een beetje druk op precies de juiste plaats ook grafeen met een paar lagen omzetten.

Het anderszins chemisch aangedreven proces is theoretisch mogelijk volgens wetenschappers van Rice University, die hun meest recente gedachten over het maken van hoogwaardige diamaan – de 2-D-vorm van diamant – publiceerden in het tijdschrift Klein.

Het onderzoek onder leiding van materiaaltheoreticus Boris Yakobson en zijn collega’s van Rice’s Brown School of Engineering suggereert dat een punt van druk op een paar lagen grafeen, de atoomdunne vorm van koolstof die bekend staat om zijn verbazingwekkende sterkte, een chemische reactie op het oppervlak kan veroorzaken met waterstof of fluor.

Van daaruit zou het diamantachtige rooster zich door het materiaal moeten voortplanten terwijl atomen van waterstof of fluor op de boven- en onderkant terechtkomen en covalent aan de oppervlakken binden, waardoor koolstof-koolstofverbindingen tussen de lagen ontstaan.

De druk die op die ene plek wordt uitgeoefend – zo klein als een paar nanometer – is helemaal niet nodig voor een dubbellaag, maar is nodig en moet steeds sterker worden voor dikkere films, zei Yakobson. Voor het maken van synthetische diamant uit bulkgrafiet op industriële schaal is ongeveer 10-15 gigapascal of 725.000 pond per vierkante inch druk nodig.

“Alleen op nanoschaal – in dit geval op nanometerdikte – wordt het alleen mogelijk voor de oppervlaktechemie om de thermodynamica van het kristal te veranderen, waardoor het faseveranderingspunt verschuift van zeer hoge druk naar praktisch geen druk,” zei hij.

Monokristallijne diamantfilm voor elektronica is zeer wenselijk. Het materiaal zou kunnen worden gebruikt als geharde isolator of als warmtetransducer voor het koelen van nano-elektronica. Het zou kunnen worden gedoteerd om te dienen als een halfgeleider met brede bandafstand in transistors, of als een element in optische toepassingen.

Yakobson en zijn collega’s ontwikkelden in 2014 een fasediagram om te laten zien hoe diamaan thermodynamisch haalbaar is. Er is nog steeds geen gemakkelijke manier om het te maken, maar het nieuwe werk voegt een cruciale component toe die het eerdere onderzoek ontbeerde: een manier om de energetische barrière tegen nucleatie te overwinnen die de reactie onder controle houdt.

“Tot nu toe is alleen dubbellaag grafeen reproduceerbaar omgezet in diamaan, maar door pure chemie”, zei Yakobson. “De combinatie met een snufje lokale druk en de mechanochemie die het teweegbrengt, lijkt een veelbelovende weg om te proberen.”

“In dikkere films stijgt de barrière snel met het aantal lagen”, voegde co-auteur en voormalig postdoctoraal medewerker van Rice Pavel Sorokin toe. “Externe druk kan deze barrière verkleinen, maar chemie en druk moeten samenwerken om een ​​2D-diamant af te leveren.”