上圖為雙層石墨烯和氟化石墨烯的優化模型，橙色球和灰色球分別代表氟原子和碳原子。下圖為雙層石墨烯和氟化石墨烯的橫斷面透射電子顯微鏡照片。
石墨烯有「神奇材料之王」的美譽。強碳碳鍵構築起了石墨烯的平面結構，但石墨烯的層間鍵合較弱。金剛石被稱為「晶體之王」，其碳原子在各個方向上緊密結合，形成超硬結構，並具有非凡的電學、熱學、光學和化學性能。如果能在石墨烯層間建立類金剛石鍵合，由此得到的新材料將具備許多優越的特性。
據《自然·納米技術》雜誌近日報導，多維碳材料研究中心(CMCM)和韓國基礎科學研究所（IBS）的研究人員首次在實驗室研究了適宜條件下，化學誘導轉化大面積雙層石墨烯類金剛石材料的可行性。研究人員認為，這種柔韌、堅固的材料是一種寬頻帶隙半導體，在納米光學、納米電子學等領域有潛在的應用前景。
此前，研究人員多使用加氫原子或高壓的方式實現雙層/多層石墨烯向類金剛石材料的轉化。然而，前者會使化學結構和化學鍵構型難以控制和表徵，後者存在釋壓後石墨烯會恢復原樣的缺點。天然金剛石的形成條件更加苛刻，它們是在地球深處的高溫高壓條件下「鍛造」出來的。為了在溫和的條件下製造類金剛石材料，IBS-CMCM的科學家們設計了一種不涉及高壓的新策略。他們使用XeF2作為氟源促進石墨烯的轉化。最終，研究人員開發了一種超薄的類金剛石材料——單層氟化金剛石。
研究人員分別在氟化處理12小時、6小時和2~3小時後對樣品進行了分析。他們發現，對雙層石墨烯進行氟化處理可以生成單層氟化金剛石，並且實驗具有可重複性。研究人員使用透射電鏡等確證了單層氟化金剛石的形成：氟原子進入石墨烯後，石墨烯薄層的層間距由3.34埃減少到了1.93~2.18埃，這與理論預測一致。
論文作者Pavel V. Bakharev指出：「這種簡單的氟化法可以在近室溫和低壓下使用，不涉及等離子體或氣體激活，因此材料產生缺陷的可能性較低。」論文作者Ming Huang補充說：「我們還發現，將氟化單層從CuNi基板轉移到透射電子顯微鏡的網格中，並進行另一輪溫和的氟化處理後，可以得到一層獨立的單層金剛石。」
CMCM主任、韓國微山國家科學技術研究所（UNIST）教授Rodney S. Ruoff表示，Huang等的研究可能會激發業界對類金剛石薄膜材料的興趣。此外，Huang等用到的處理方法也為製備大面積單晶金剛石薄膜提供了借鑑。
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編譯：雷鑫宇
審稿：alone
責編：張夢
期刊來源：《自然·納米技術》
期刊編號：1748-3387
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