Grafeen staat al bekend om zijn ongelooflijke sterkte, ondanks dat het slechts één atoom dik is. Hoe kan het dan nog sterker worden gemaakt? Door er diamantplaten 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 bestaan allemaal uit dezelfde stof – koolstof – maar het verschil tussen deze materialen zit hem in de manier waarop de koolstofatomen gerangschikt en met elkaar verbonden zijn. Grafeen is een laag koolstof die slechts één atoom dik is, met sterke horizontale bindingen ertussen. Grafiet is opgebouwd uit grafeenlagen die op elkaar gestapeld zijn, met sterke bindingen binnen elke laag, maar zwakke bindingen tussen de verschillende lagen. En in diamant zijn de koolstofatomen veel sterker driedimensionaal met elkaar verbonden, waardoor een ongelooflijk hard materiaal ontstaat.
Wanneer de bindingen tussen de lagen grafeen worden versterkt, kan het een tweedimensionale diamantvorm aannemen, bekend als diamane. Het probleem is echter dat dit normaal gesproken niet eenvoudig is. Eén methode vereist extreem hoge drukken, en zodra die druk wordt weggenomen, verandert het materiaal weer terug in grafeen. Andere studies hebben waterstofatomen aan het grafeen toegevoegd, maar dat maakt het lastig 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 vervangen door fluor. Het idee is dat door dubbellaags grafeen bloot te stellen aan fluor, de twee lagen dichter bij elkaar komen, waardoor er sterkere bindingen tussen ontstaan.
Het team begon met het creëren van dubbellaags grafeen met behulp van de beproefde methode van chemische dampafzetting (CVD), op een substraat van koper en nikkel. Vervolgens stelden ze het grafeen bloot aan dampen van xenondifluoride. Het fluor in dat mengsel hecht zich aan de koolstofatomen, waardoor de bindingen tussen de grafeenlagen worden versterkt en een ultradunne laag gefluorideerd diamant ontstaat, ook wel bekend als F-diamant.
Het nieuwe proces is veel eenvoudiger dan andere, waardoor het relatief gemakkelijk op te schalen zou moeten zijn. Ultradunne diamantplaten zouden kunnen leiden tot sterkere, kleinere en flexibelere elektronische componenten, met name als halfgeleider met een brede bandafstand.
"Deze eenvoudige fluorineringsmethode werkt bij temperaturen rond kamertemperatuur en onder lage druk, zonder gebruik te maken van plasma of gasactiveringsmechanismen, waardoor de kans op het ontstaan van defecten wordt verkleind", aldus Pavel V. Bakharev, eerste auteur van de studie.
Geplaatst op: 24 april 2020