Diamant atomiquement mince, aussi appelé diamane, est un allotrope de carbone bidimensionnel et a suscité un intérêt scientifique considérable en raison de ses propriétés physiques potentielles. Cependant, des études antérieures suggèrent que les films de diamant atomiquement minces ne sont pas réalisables dans un état vierge car les diamants possèdent une structure cristalline tridimensionnelle et manqueraient de stabilité chimique lorsqu'ils sont amincis jusqu'à l'épaisseur de la cellule unitaire du diamant en raison des liaisons sp3 pendantes. La fonctionnalisation chimique des carbones de surface avec des groupes chimiques spécifiques a été jugée nécessaire pour stabiliser la structure bidimensionnelle, telles que l'hydrogénation de surface ou la fluoration, et divers substrats ont également été utilisés dans ces tentatives de synthèse. Mais toutes ces tentatives modifient la composition des films de diamant, c'est-à-dire, la synthèse réussie d'un diamane vierge n'a jusqu'à présent pas été réalisée.

La régulation du processus de transition de phase des matériaux carbonés sous haute pression et haute température est toujours une méthode simple pour réaliser la diamantation. Ici, une équipe de scientifiques dirigée par les Drs. Feng Ke et Bin Chen de HPSTAR (le Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research) ont utilisé cette approche directe, diamantisation du graphène à quelques couches mécaniquement exfolié par compression, pour synthétiser le film de diamane tant recherché. L'étude est publiée dans Lettres nano .

Le processus de diamantisation s'accompagne généralement d'une ouverture d'un fossé énergétique et d'une augmentation spectaculaire de la résistance due à la réhybridation sp2-sp3 entre les atomes de carbone. "Les mesures de transport électrique in-situ du graphène à quelques couches sont difficiles à réaliser sous haute pression, " a déclaré Feng Ke. " Cependant, en utilisant notre technique de micro-câblage basée sur la photolithographie récemment développée pour préparer des électrodes de film sur une surface de diamant pour les mesures de résistance, nous sommes en mesure d'étudier la transition de diamantisation sp2-sp3 induite par la pression du graphène exfolié mécaniquement avec une épaisseur de couche allant de 12 à bicouche à température ambiante."

Leurs études démontrent que le h-diamane vierge pourrait être synthétisé en comprimant une tricouche et un graphène plus épais à plus de 20 GPa à température ambiante, qui une fois synthétisé pourrait être conservé à environ 1,0 GPa lors de la décompression. "L'absorption optique révèle que le h-diamane a un écart énergétique de 2,8 ± 0,3 eV, et d'autres calculs de structure de bande confirment une bande interdite indirecte de 2,7-2,9 eV, " a expliqué le co-auteur Lingkong Zhang, un doctorat étudiant à HPSTAR. "Par rapport au graphène sans lacune, Le h-diamane semi-conducteur offre des possibilités intéressantes pour les appareils électroniques à base de carbone."

Les mesures XRD ont montré que la transition du graphène à quelques couches au h-diamane est une transition structurelle progressive, ce qui aide à comprendre l'augmentation continue de la résistance et la diminution de l'absorbance dans le graphène tricouche et plus épais avec une pression supérieure à la pression de transition. Les calculs théoriques indiquent qu'un h-diamane orienté est énergétiquement stable et a une enthalpie inférieure à celle de son précurseur de graphène à quelques couches au-dessus de la pression de transition.

"Comme la découverte du graphène, nanotubes de carbone, fullerènes, et d'autres allotropes de carbone nouveaux, la réalisation d'un diamane vierge représente une autre réalisation passionnante en science des matériaux, " a ajouté le Dr Bin Chen, "Un traitement thermique à haute pression peut être utile pour conserver un h-diamane vierge à la pression ambiante, comme suggéré par la méthode à haute température et haute pression pour synthétiser un diamant h trempé sous pression. Les défis restent encore à relever pour parvenir à la préservation et aux applications industrielles du diamane."