Ученые размышляли об этом, и несколько лабораторий даже видели признаки того, что они называют диаманом, чрезвычайно тонкой пленкой алмаза, которая обладает всеми превосходными полупроводниковыми и термическими свойствами алмаза.Теперь исследователи из Университета Райса и в России рассчитали «фазовую диаграмму» для создания диамана. Схема — это дорожная карта. В нем описаны условия — температура, давление и другие факторы — которые необходимы для превращения сложенных листов графена в безупречную решетку алмаза.
В процессе исследователи определили, что диаман может быть получен полностью химическим путем, без давления при некоторых обстоятельствах.Команда под руководством физика-теоретика Райса Бориса Якобсона и Павла Сорокина, бывшего научного сотрудника Райс, а теперь старшего научного сотрудника Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Москве, опубликовала результаты в журнале Американского химического общества Nano Letters.«Диаманы имеют широкий потенциал применения», — сказал Сорокин. «Их можно применять в виде очень тонких диэлектрических твердых пленок в наноконденсаторах или в виде механически жестких нанотонких элементов в наноэлектронике.
Кроме того, диаманы имеют потенциал для применения в нанооптике.«Возможность получения такого квазидвумерного объекта интригует, но имеющиеся экспериментальные данные не позволяют надеяться на его изготовление с использованием традиционных методов. Однако подход« снизу вверх », предложенный Ричардом Фейнманом, позволяет изготавливать диаманы из более мелких объекты, такие как графен ".
Исследователи построили компьютерные модели, чтобы имитировать силы, прикладываемые каждым атомом, участвующим в процессе. Это включает в себя графен, форму углерода толщиной в один атом и одно из самых сильных веществ во Вселенной, а также водород (или, альтернативно, галоген), который способствует реакции.
Они выяснили, что условия должны быть подходящими для того, чтобы небольшая стопка графеновых блинов превратилась в алмазную матрицу — или наоборот — с помощью химии.«Фазовая диаграмма показывает, какая фаза доминирует в основном состоянии для каждого давления и температуры», — сказал Якобсон. «В случае диамана диаграмма необычна, потому что результат также зависит от толщины, количества слоев графена. Итак, у нас есть новый параметр».По его словам, водород — не единственный возможный катализатор, но именно его они использовали в своих расчетах. «Когда водород атакует, он забирает один электрон у атома углерода в графене.
В результате связь разрывается, а другой электрон остается висеть на другой стороне графенового слоя. Теперь он может свободно подключаться к атому углерода на соседний лист с небольшим давлением или без него.«Если у вас несколько слоев, вы получите эффект домино, когда водород начинает реакцию сверху и распространяется через связанную углеродную систему», — сказал он. «Как только он проскочит до конца, фазовый переход завершится и кристаллическая структура будет как у алмаза».Якобсон сказал, что в газете не говорится о возможном нарушении сделки. «Преобразование из одной фазы в другую начинается с небольшого затравки, места зародышеобразования, и в этом процессе всегда есть то, что называется барьером зародышеобразования.
Мы не рассчитываем это здесь». Он сказал, что углерод обычно предпочитает быть графитом (основная форма углерода, используемого в качестве грифеля карандаша), а не алмазом, но высокий барьер зародышеобразования не позволяет алмазу совершить переход.«Термодинамически существующий алмаз должен стать графитом, но этого не происходит именно по этой причине», — сказал Якобсон. «Так что иногда это хорошо. Но если мы хотим сделать плоский алмаз, нам нужно найти способы обойти этот барьер».
Он сказал, что производство синтетического алмаза, которое впервые было надежно изготовлено в 1950-х годах, требует очень высокого давления около 725 000 фунтов на квадратный дюйм. Искусственные алмазы используются в закаленных инструментах для огранки, в качестве абразивов и даже в качестве высококачественных драгоценных камней, выращиваемых с помощью методов, имитирующих температуру и давление, обнаруженные глубоко в недрах Земли, где выковывают природный алмаз.Алмазные пленки также обычно изготавливают методом химического осаждения из паровой фазы, «но они всегда очень низкого качества, потому что они поликристаллические», — сказал Якобсон. «Для механических целей, как очень дорогая наждачная бумага, они идеальны.
Но для электроники вам потребуется высокое качество, чтобы она могла служить широкозонным полупроводником».Ведущий автор статьи — Александр Квашнин, бывший приглашенный студент Райс и аспирант Московского физико-технического института (МФТИ). Соавтор Леонид Чернозатонский — научный сотрудник Института биохимической физики им.
Эмануэля РАН, Москва. Сорокин работает в МФТИ и Национальном научно-техническом университете в Москве.
Якобсон — профессор машиностроения и материаловедения, профессор Карла Ф. Хассельмана, профессор химии и член Института наноразмерных наук и технологий Ричарда Э. Смолли.Исследование поддержали Управление научных исследований ВВС США, Управление военно-морских исследований США, Министерство образования и науки Российской Федерации и Российский фонд фундаментальных исследований.