Grafeen staat al bekend als ongelooflijk sterk, ondanks dat het slechts één atoom dik is. Dus hoe kan het nog sterker worden gemaakt? Door er diamantjes van te maken natuurlijk. Onderzoekers in Zuid-Korea hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld om grafeen om te zetten in de dunste diamantfilms, zonder gebruik te hoeven maken van hoge druk.
Grafeen, grafiet en diamant zijn allemaal gemaakt van hetzelfde materiaal – koolstof – maar het verschil tussen deze materialen is hoe de koolstofatomen zijn gerangschikt en aan elkaar zijn gebonden. Grafeen is een laag koolstof die slechts één atoom dik is, met daartussen sterke horizontale verbindingen. Grafiet bestaat uit grafeenvellen die op elkaar zijn gestapeld, met sterke verbindingen binnen elk vel, maar zwakke verbindingen die verschillende platen met elkaar verbinden. En in diamant zijn de koolstofatomen veel sterker verbonden in drie dimensies, waardoor een ongelooflijk hard materiaal ontstaat.
Wanneer de verbindingen tussen lagen grafeen worden versterkt, kan het een 2D-vorm van diamant worden die bekend staat als diamane. Het probleem is dat dit normaal gesproken niet eenvoudig is om te doen. Eén manier vereist extreem hoge drukken, en zodra die druk wordt opgeheven, verandert het materiaal weer in grafeen. Andere studies hebben waterstofatomen aan het grafeen toegevoegd, maar dat maakt het moeilijk om de bindingen te controleren.
Voor de nieuwe studie hebben onderzoekers van het Institute for Basic Science (IBS) en het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) waterstof ingeruild voor fluor. Het idee is dat door dubbellaags grafeen bloot te stellen aan fluor, de twee lagen dichter bij elkaar worden gebracht, waardoor er sterkere verbindingen tussen de lagen ontstaan.
Het team begon met het maken van dubbellaags grafeen met behulp van de beproefde methode van chemische dampafzetting (CVD), op een substraat gemaakt van koper en nikkel. Vervolgens stelden ze het grafeen bloot aan dampen van xenondifluoride. De fluor in dat mengsel blijft aan de koolstofatomen plakken, waardoor de verbindingen tussen grafeenlagen worden versterkt en een ultradunne laag gefluoreerde diamant ontstaat, bekend als F-diamane.
Het nieuwe proces is veel eenvoudiger dan andere, waardoor het relatief eenvoudig zou moeten zijn om op te schalen. Ultradunne diamantplaten zouden sterkere, kleinere en flexibelere elektronische componenten kunnen opleveren, vooral als halfgeleider met grote opening.
“Deze eenvoudige fluoreringsmethode werkt bij bijna kamertemperatuur en onder lage druk zonder het gebruik van plasma of gasactiveringsmechanismen, waardoor de kans op het ontstaan van defecten wordt verkleind”, zegt Pavel V. Bakharev, eerste auteur van het onderzoek.
Posttijd: 24 april 2020