Est-ce que deux couches du "roi des matériaux merveilleux, " c'est-à-dire le graphène, être lié et converti au matériau le plus fin semblable au diamant, le "roi des cristaux ?" Les chercheurs du Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) au sein de l'Institute for Basic Science (IBS, Corée du Sud) ont signalé en Nature Nanotechnologie la première observation expérimentale d'une conversion induite chimiquement de graphène bicouche de grande surface en un matériau semblable au diamant le plus mince possible, dans des conditions de pression et de température modérées. Cette souplesse, le matériau solide est un semi-conducteur à large bande interdite, et a ainsi un potentiel d'applications industrielles en nano-optique, nanoélectronique, et peut servir de plate-forme prometteuse pour les systèmes micro- et nano-électromécaniques.

Diamant, mine de crayon, et le graphène sont fabriqués avec les mêmes éléments constitutifs :les atomes de carbone (C). Encore, c'est la configuration des liaisons entre ces atomes qui fait toute la différence. Dans un diamant, les atomes de carbone sont fortement liés dans toutes les directions et créent un matériau extrêmement dur avec des propriétés électriques extraordinaires, thermique, propriétés optiques et chimiques. À la mine de crayon, les atomes de carbone sont disposés en un tas de feuilles et chaque feuille est du graphène. De fortes liaisons carbone-carbone (C-C) constituent le graphène, mais les liaisons faibles entre les feuilles se cassent facilement et expliquent en partie pourquoi la mine de crayon est douce. La création d'une liaison intercalaire entre les couches de graphène forme un matériau 2D, similaire aux films de diamant minces, connu sous le nom de diamane, avec de nombreuses caractéristiques supérieures.

Les tentatives précédentes pour transformer le graphène bicouche ou multicouche en diamane reposaient sur l'ajout d'atomes d'hydrogène, ou haute pression. Dans l'ancien, la structure chimique et la configuration des liaisons sont difficiles à contrôler et à caractériser. Dans ce dernier, le relâchement de la pression fait que l'échantillon redevient du graphène. Les diamants naturels sont également forgés à haute température et pression, profondément à l'intérieur de la Terre. Cependant, Les scientifiques de l'IBS-CMCM ont essayé une approche gagnante différente.

L'équipe a conçu une nouvelle stratégie pour favoriser la formation de diamane, en exposant du graphène bicouche au fluor (F), au lieu de l'hydrogène. Ils ont utilisé des vapeurs de difluorure de xénon (XeF 2 ) comme source de F, et aucune pression élevée n'était nécessaire. Le résultat est un matériau ultra-mince semblable à un diamant, à savoir monocouche de diamant fluoré :F-diamane, avec des liaisons intercalaires et F à l'extérieur.

Pour une description plus détaillée; la synthèse du F-diamane a été réalisée en fluorant du graphène bicouche de grande surface sur une feuille de métal monocristallin (alliage CuNi(111)), sur laquelle le type requis de graphène bicouche a été cultivé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD).

Idéalement, Les liaisons C-F peuvent être facilement caractérisées et distinguées des liaisons C-C. L'équipe a analysé l'échantillon après 12, 6, et 2-3 heures de fluoration. Sur la base des études spectroscopiques approfondies et également de la microscopie électronique à transmission, les chercheurs ont pu montrer sans équivoque que l'ajout de fluor sur du graphène bicouche dans certaines conditions bien définies et reproductibles entraîne la formation de F-diamane. Par exemple, l'espace intercalaire entre deux feuilles de graphène est de 3,34 angströms, mais est réduit à 1,93-2,18 angströms lorsque les liaisons intercouches sont formées, comme le prédisent également les études théoriques.

"Cette méthode de fluoration simple fonctionne à température proche de la pièce et à basse pression sans l'utilisation de plasma ou de mécanismes d'activation de gaz, réduit donc la possibilité de créer des défauts, " souligne Pavel V. Bakharev, le premier auteur et l'auteur co-correspondant.

De plus, le film F-diamane pouvait être librement suspendu. "Nous avons découvert que nous pouvions obtenir un diamant monocouche autonome en transférant le F-diamane du substrat CuNi(111) vers une grille de microscope électronique à transmission, suivi d'un autre cycle de fluoration douce, " dit Ming Huang, l'un des premiers auteurs.

Rodney S. Ruoff, Le directeur de la CMCM et professeur à l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST) note que ces travaux pourraient susciter un intérêt mondial pour les diamants, les films de type diamant les plus minces, dont les propriétés électroniques et mécaniques peuvent être ajustées en modifiant la terminaison de surface à l'aide de techniques de nanopatterning et/ou de réaction de substitution. Il note en outre que de tels films de diamane pourraient également éventuellement fournir une voie vers des films de diamant monocristallin de très grande surface.