Graphen ist bereits für seine unglaubliche Festigkeit bekannt, obwohl es nur eine Atomlage dick ist. Wie lässt es sich also noch fester machen? Indem man es in Diamantschichten verwandelt, natürlich. Forscher in Südkorea haben nun ein neues Verfahren entwickelt, um Graphen in hauchdünne Diamantfilme umzuwandeln – ganz ohne hohen Druck.
Graphen, Graphit und Diamant bestehen alle aus demselben Material – Kohlenstoff –, unterscheiden sich aber in der Anordnung und den Verbindungen der Kohlenstoffatome. Graphen ist eine nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht mit starken horizontalen Bindungen zwischen den Atomen. Graphit besteht aus übereinander gestapelten Graphenschichten, wobei innerhalb jeder Schicht starke Bindungen, zwischen den Schichten hingegen schwache Bindungen bestehen. Im Diamanten sind die Kohlenstoffatome dreidimensional noch viel stärker miteinander verbunden, wodurch ein unglaublich hartes Material entsteht.
Werden die Bindungen zwischen den Graphenschichten verstärkt, kann daraus eine zweidimensionale Diamantform, bekannt als Diamant, entstehen. Das Problem ist, dass dies normalerweise nicht einfach zu erreichen ist. Eine Methode erfordert extrem hohen Druck, und sobald dieser Druck nachlässt, zerfällt das Material wieder in Graphen. Andere Studien haben dem Graphen Wasserstoffatome hinzugefügt, was die Kontrolle der Bindungen jedoch erschwert.
Für die neue Studie ersetzten Forscher des Instituts für Grundlagenforschung (IBS) und des Nationalen Instituts für Wissenschaft und Technologie Ulsan (UNIST) Wasserstoff durch Fluor. Die Idee dahinter ist, dass die Einwirkung von Fluor auf zweilagiges Graphen die beiden Schichten einander annähert und so stärkere Bindungen zwischen ihnen entstehen.
Das Team begann mit der Herstellung von zweilagigem Graphen mittels der bewährten Methode der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) auf einem Substrat aus Kupfer und Nickel. Anschließend setzten sie das Graphen Xenondifluorid-Dämpfen aus. Das Fluor in diesem Gemisch lagert sich an die Kohlenstoffatome an, verstärkt die Bindungen zwischen den Graphenschichten und erzeugt eine ultradünne Schicht aus fluoriertem Diamant, bekannt als F-Diamant.
Das neue Verfahren ist deutlich einfacher als andere, was eine Skalierung relativ einfach machen sollte. Ultradünne Diamantschichten könnten, insbesondere als Halbleiter mit großer Bandlücke, zu stabileren, kleineren und flexibleren elektronischen Bauteilen führen.
„Diese einfache Fluorierungsmethode funktioniert bei nahezu Raumtemperatur und unter niedrigem Druck ohne den Einsatz von Plasma oder Gasaktivierungsmechanismen und verringert somit die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Defekten“, sagt Pavel V. Bakharev, Erstautor der Studie.
Veröffentlichungsdatum: 24. April 2020