科技宝典：将石墨烯转化为金刚石膜

 
双层石墨烯和F-二氮杂苯的优化模型。橙色和灰色的球体分别代表氟和碳原子。下图：已生长的双层石墨烯和F-二茂铁的横截面透射电子显微照片，其中突出显示了层间和原子间的距离。图片来源：IBS是否可以将两层“神奇材料之王”(即石墨烯)链接并转换为最薄的类金刚石材料，即“晶体之王”?基础科学研究所(韩国IBS)多维碳材料中心(CMCM)的研究人员在《自然纳米技术》中报道了对大面积双层石墨烯化学诱导转化为尽可能薄的类金刚石的首次实验观察。材料，在中等压力和温度条件下。这种柔性，坚固的材料是宽带隙半导体，因此具有在纳米光学，纳米电子学中的工业应用潜力，并且可以用作微机电系统和纳米机电系统的有前途的平台。
钻石，铅笔芯和石墨烯由相同的构成要素制成：碳原子(C)。然而，正是这些原子之间的键构型才是最重要的。在钻石中，碳原子在各个方向上都牢固地结合在一起，形成了一种具有非凡的电，热，光学和化学特性的极其坚硬的材料。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(C-C)键构成石墨烯，但薄板之间的弱键很容易折断，部分解释了铅笔芯为何柔软。在石墨烯层之间建立层间键合会形成一种二维材料，类似于金刚石薄膜(称为丁烷)，具有许多优异的特性。
先前将双层或多层石墨烯转变成二氨烷的尝试依赖于氢原子的添加或高压。在前者中，化学结构和键的构型难以控制和表征。在后者中，压力的释放使样品恢复为石墨烯。天然钻石也是在高温和高压下在地球深处锻造的。但是，IBS-CMCM科学家尝试了另一种制胜法。
该团队设计了一种新的策略，通过将双层石墨烯暴露于氟(F)而不是氢气中来促进二氨烷的形成。他们使用二氟化氙蒸气(XeF2)作为F的来源，不需要高压。结果是形成了超薄的类金刚石材料，即氟化金刚石单层：F-金刚石，具有层间键和外部F。
更详细的描述;通过在单晶金属(CuNi(111)合金)箔上氟化大面积双层石墨烯来实现F-二氮杂烯的合成，然后在其上通过化学气相沉积(CVD)生长所需类型的双层石墨烯。
方便地，C-F键可以容易地表征和与C-C键区分开。该团队在氟化12、6和2-3小时后分析了样品。基于广泛的光谱学研究以及透射电子显微镜，研究人员能够明确地表明，在某些定义明确且可重复的条件下，在双层石墨烯上添加氟会导致F-二氮杂苯的形成。例如，两个石墨烯片之间的层间空间为3.34埃，但是当形成层间键时，层间空间减小至1.93-2.18埃，这也如理论研究所预测的那样。
第一作者兼通讯作者帕维尔·巴哈列夫(Pavel V. Bakharev)指出：“这种简单的氟化方法可在接近室温且在低压下工作，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F膜。 “我们发现，通过将F-二聚体从CuNi(111)衬底转移到透射电子显微镜栅格，然后再进行一轮轻度氟化，可以得到独立的单层金刚石，”第一作者之一黄明说。 。
蔚山国立科学技术学院(UNIST)CMCM主任兼教授Rodney S. Ruoff指出，这项工作可能会激发全世界对金刚石的兴趣，金刚石是最薄的类金刚石薄膜，其电子和机械性能可以通过改变使用纳米图案化和/或取代反应技术的表面终止。他进一步指出，此类二am烷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。