由石墨烯制成的超薄金刚石膜可增强电子产品的韧性

导读：韩国研究人员成功由双层石墨烯在无高压的条件下合成最薄的类金刚石材料

是否可以将两层“神奇材料之王”（即石墨烯）连接起来并转化为最薄的类金刚石材料（“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》中报道了一种可以将石墨烯转化为最薄的金刚石薄膜，而无需使用高压的新方法。这种柔性、坚固的材料是一种宽频带隙半导体，因此在纳米光学、纳米电子学等领域有潜在的工业应用前景，可以作为微、纳米机电系统的一个有前途的平台。

钻石、铅笔芯和石墨烯都是由碳原子(C)构成的。然而，正是碳原子间的化学键构成了所有的不同。在钻石中，碳原子在各个方向上紧密结合，形成了一种极硬的材料，具有优异的电学、热学、光学和化学性能。在铅笔芯中，碳原子排列成一堆薄片，每片都是石墨烯。强碳碳(C-C)键构成石墨烯，但薄片之间的弱键很容易断裂，这在一定程度上解释了为什么铅笔芯是软的。在石墨烯层之间建立层间键合，会形成一种类似于薄金刚石薄膜的二维材料，这种被称为diamane的类金刚石材料具有许多优越的特性。

以往将双分子层或多层石墨烯转化为类金刚石材料的尝试都是依靠添加氢原子或高压。前者的化学结构和键的构型难以控制和表征。在后者的情况下，压力的释放会使样品恢复到石墨烯。天然钻石也是在高温和高压下在地球深处锻造的。但是，韩国IBS-CMCM科学家成功尝试了另一种方法。

该团队设计了一个新方法，通过将双层石墨烯暴露于氟而不是氢气中来促进这种新材料的形成。他们使用二氟化氙蒸气（XeF2）作为氟的来源，这样不需要高压。于是就形成了超薄的类金刚石材料，即氟化金刚石单层，它具有层间键和外部氟。新材料的合成是通过在单晶金属箔上对大面积双层石墨烯进行氟化处理来实现的，在此基础上通过化学气相沉积(CVD)法生长出所需类型的双层石墨烯。

方便地，C-F键可以容易地被表征并与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。基于广泛的光谱以及透射电子显微镜的研究，研究人员能够明确表明，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-diamane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。

双层石墨烯与氟化单层金刚石(F-diamane)的比较。

上图:双层石墨烯和F-diamane的优化模型。橙色和灰色的球分别代表氟原子和碳原子。下图:双层石墨烯和F-diamane的横截面透射电子显微照片，突出显示了层间和原子间距离。

该研究的第一作者兼共同通讯作者帕维尔·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氟膜。第一作者之一黄明（音译）说：“我们发现可以通过将F-diamane从CuNi(111)基板转移到透射电子显微镜栅格上，然后进行另一轮温和的氟化反应，就可以得到独立的单层金刚石。”

韩国蔚山国立科学技术学院（UNIST）教授、多维材料研究中心（CMCM）主任Rodney S. Ruoff指出，这项工作可能会激发全世界对类金刚石材料的兴趣，它是最薄的类金刚石薄膜，其电子和机械性能可以通过采用纳米模式及替代反应技术的表面终止技术来进行调整。他进一步指出，这种金刚石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。

消息来源：ibs