Graphen ist trotz seiner geringen Dicke von nur einem Atom für seine unglaubliche Festigkeit bekannt. Wie lässt es sich also noch stärker machen? Natürlich, indem man es in Diamantschichten verwandelt. Forscher in Südkorea haben nun eine neue Methode entwickelt, um Graphen in dünnste Diamantschichten umzuwandeln – ganz ohne hohen Druck.
Graphen, Graphit und Diamant bestehen alle aus demselben Material – Kohlenstoff –, unterscheiden sich jedoch in der Anordnung und Bindung der Kohlenstoffatome. Graphen ist eine Kohlenstoffschicht von nur einem Atom Dicke mit starken horizontalen Bindungen zwischen den Atomen. Graphit besteht aus übereinander gestapelten Graphenschichten, wobei die Bindungen innerhalb jeder Schicht stark, die einzelnen Schichten jedoch schwach sind. Im Diamanten sind die Kohlenstoffatome dreidimensional deutlich stärker miteinander verbunden, was ein unglaublich hartes Material ergibt.
Werden die Bindungen zwischen Graphenschichten verstärkt, kann eine zweidimensionale Form von Diamant entstehen, die als Diaman bezeichnet wird. Das Problem ist jedoch, dass dies normalerweise nicht einfach ist. Eine Methode erfordert extrem hohen Druck, und sobald dieser Druck nachlässt, verwandelt sich das Material wieder in Graphen. In anderen Studien wurde dem Graphen Wasserstoffatome hinzugefügt, was jedoch die Kontrolle der Bindungen erschwert.
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 dahinter ist, dass die Fluoreinwirkung auf zweischichtiges Graphen die beiden Schichten einander näher bringt und so 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 Xenondifluorid-Dämpfen 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-Diamant.
Das neue Verfahren ist deutlich einfacher als andere und lässt sich daher relativ leicht skalieren. Ultradünne Diamantschichten könnten zu stabileren, kleineren und flexibleren elektronischen Bauteilen führen, insbesondere als Halbleiter mit großem Bandabstand.
„Diese einfache Fluorierungsmethode funktioniert bei nahezu Raumtemperatur und unter niedrigem Druck ohne den Einsatz von Plasma oder Gasaktivierungsmechanismen und reduziert daher die Möglichkeit der Entstehung von Defekten“, sagt Pavel V. Bakharev, Erstautor der Studie.
Veröffentlichungszeit: 24. April 2020