Grafeeni tunnetaan jo uskomattoman vahvana, vaikka se on vain atomin paksuinen. Joten miten sitä voidaan tehdä vielä vahvemmaksi? Muuntamalla se timanttilevyiksi, tietenkin. Eteläkorealaiset tutkijat ovat nyt kehittäneet uuden menetelmän grafeenin muuttamiseksi ohuimmiksi timanttikalvoiksi ilman korkean paineen käyttöä.
Grafeeni, grafiitti ja timantti koostuvat kaikki samasta aineesta – hiilestä – mutta näiden materiaalien ero on siinä, miten hiiliatomit ovat järjestäytyneet ja sitoutuneet toisiinsa. Grafeeni on vain yhden atomin paksuinen hiilikerros, jonka välillä on vahvoja vaakasuunnassa olevia sidoksia. Grafiitti koostuu päällekkäin pinotuista grafeenilevyistä, joiden sisällä on vahvoja sidoksia, mutta eri levyjä yhdistävät heikot sidokset. Ja timantissa hiiliatomit ovat paljon vahvemmin sitoutuneet kolmeen ulottuvuuteen, mikä luo uskomattoman kovan materiaalin.
Kun grafeenikerrosten väliset sidokset vahvistuvat, siitä voi tulla diamaanina tunnettu kaksiulotteinen timantti. Ongelmana on, että tämä ei yleensä ole helppoa. Yksi tapa vaatii erittäin korkeita paineita, ja heti kun paine poistetaan, materiaali palautuu takaisin grafeeniksi. Muissa tutkimuksissa grafeeniin on lisätty vetyatomeja, mutta se vaikeuttaa sidosten hallintaa.
Uutta tutkimusta varten Institute for Basic Sciencen (IBS) ja Ulsanin kansallisen tiede- ja teknologiainstituutin (UNIST) tutkijat vaihtoivat vedyn fluoriin. Ajatuksena on, että altistamalla kaksikerroksinen grafeeni fluorille se tuo kaksi kerrosta lähemmäksi toisiaan ja luo niiden välille vahvempia sidoksia.
Tiimi aloitti luomalla kaksikerroksista grafeenia käyttämällä hyväksi havaittua kemiallista höyrypinnoitusta (CVD) kuparista ja nikkelistä valmistetulle alustalle. Sitten he altistivat grafeenin ksenondifluoridihöyryille. Seoksen fluori tarttuu hiiliatomeihin, vahvistaa grafeenikerrosten välisiä sidoksia ja luo erittäin ohuen fluoratun timantin kerroksen, joka tunnetaan nimellä F-dimaani.
Uusi prosessi on paljon yksinkertaisempi kuin muut, minkä vuoksi sen skaalaaminen suuremmaksi pitäisi olla suhteellisen helppoa. Erittäin ohuista timanttilevyistä voitaisiin valmistaa vahvempia, pienempiä ja joustavampia elektronisia komponentteja, erityisesti laaja-alaisena puolijohteena.
”Tämä yksinkertainen fluorausmenetelmä toimii lähes huoneenlämmössä ja alhaisessa paineessa ilman plasmaa tai kaasun aktivointimekanismeja, mikä vähentää vikojen syntymisen mahdollisuutta”, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Pavel V. Bakharev.
Julkaisun aika: 24. huhtikuuta 2020