Graphen ist bereits für seine unglaubliche Festigkeit bekannt, obwohl es nur ein Atom dick ist. Wie kann es also noch stärker gemacht werden? Natürlich durch die Umwandlung in Diamantplatten. Forscher in Südkorea haben nun eine neue Methode entwickelt, um Graphen ohne hohen Druck in dünnste Diamantfilme umzuwandeln.
Graphen, Graphit und Diamant bestehen alle aus dem gleichen Material – Kohlenstoff – aber der Unterschied zwischen diesen Materialien besteht darin, wie die Kohlenstoffatome angeordnet und miteinander verbunden sind. Graphen ist eine nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht mit starken horizontalen Bindungen zwischen ihnen. Graphit besteht aus übereinander gestapelten Graphenschichten mit starken Bindungen innerhalb jeder Schicht, aber schwachen Bindungen zwischen den verschiedenen Schichten. Und im Diamant sind die Kohlenstoffatome dreidimensional viel stärker verknüpft, wodurch ein unglaublich hartes Material entsteht.
Wenn die Bindungen zwischen Graphenschichten gestärkt werden, kann daraus eine zweidimensionale Form von Diamant entstehen, die als Diamane bekannt ist. Das Problem ist, dass dies normalerweise nicht einfach ist. Ein Weg erfordert extrem hohe Drücke, und sobald dieser Druck entfernt wird, wandelt sich das Material wieder in Graphen um. Andere Studien haben dem Graphen Wasserstoffatome hinzugefügt, aber das macht es schwierig, die Bindungen zu kontrollieren.
Für die neue Studie tauschten Forscher des Institute for Basic Science (IBS) und des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) Wasserstoff gegen Fluor aus. Die Idee ist, dass durch die Einwirkung von Fluor auf zweischichtiges Graphen die beiden Schichten näher zusammengebracht werden und stärkere Bindungen zwischen ihnen entstehen.
Das Team begann mit der Herstellung von zweischichtigem Graphen mithilfe der bewährten Methode der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) auf einem Substrat aus Kupfer und Nickel. Anschließend setzten sie das Graphen Xenondifluoriddämpfen aus. Das Fluor in dieser Mischung haftet an den Kohlenstoffatomen, stärkt die Bindungen zwischen den Graphenschichten und erzeugt eine ultradünne Schicht aus fluoriertem Diamant, bekannt als F-Diamane.
Der neue Prozess ist weitaus einfacher als andere, was eine relativ einfache Skalierung ermöglichen dürfte. Ultradünne Diamantschichten könnten zu stärkeren, kleineren und flexibleren elektronischen Bauteilen führen, insbesondere als Halbleiter mit großer Bandlücke.
„Diese einfache Fluorierungsmethode funktioniert bei Raumtemperatur und niedrigem Druck ohne den Einsatz von Plasma oder Gasaktivierungsmechanismen und verringert somit die Möglichkeit der Entstehung von Defekten“, sagt Pavel V. Bakharev, Erstautor der Studie.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. April 2020