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行业动态|俄罗斯研究人员成功制备出稳定的石墨烯-金刚石纳米复合材料
行业动态|俄罗斯研究人员成功制备出稳定的石墨烯-金刚石纳米复合材料
行业动态|俄罗斯研究人员成功制备出稳定的石墨烯-金刚石纳米复合材料 2024-05-09
行业动态|俄罗斯研究人员成功制备出稳定的石墨烯-金刚石纳米复合材料 17

       金刚石长期在基础科学和技术中占据核心地位,其出色的机械性能、高导热性、宽带隙、光学特性、生物相容性及量子潜力均令人瞩目。纳米金刚石凭借其独特性质,在电子、光学及生物医学等领域展现出巨大技术潜力,引发了广泛关注。然而,其稳定性仍是待解难题。相比石墨,金刚石稳定性较弱,仅受动力学壁垒保护。纳米尺度的金刚石表面效应可能削弱这一保护,威胁整体结构稳定。即便在稳定状态下,纳米金刚石结构亦面临合成过程中的严苛条件挑战。  

       多层石墨烯作为辐照靶,为制造特定超薄金刚石薄膜提供了新途径。其高表面比率使得石墨烯钻化可在薄膜厚度上局部实现,为调控电子性能提供了机会。例如,电子辐照能在石墨烯层间局部形成键合,构成载流子障碍。快速重离子辐照多层石墨烯(位于SiO2基底上)则能形成孔隙或局部结构阻尼,影响导电性。其中,辐照过程中形成单晶二维纳米金刚石(二维金刚石)尤为引人关注。MeV能量的快速重离子辐照展现出形成金刚石的潜力,通过急剧增温和冲击波实现,并能在不影响表面石墨化的前提下,形成如(100)表面的二维金刚石薄膜。

       科研人员来自莫斯科钢铁与合金学院、西伯利亚分院半导体物理研究所和杜布纳联合核子研究所,通过高能重离子轰击多层石墨烯,成功制备出稳定的石墨烯-金刚石纳米结构复合材料。这种新材料轻盈且兼具石墨烯的导电性与金刚石的硬度,为航空航天和生物医学设备等领域带来巨大潜力。研究首次验证了Xe26+离子在26至167 MeV能量下能在石墨烯中形成5至20纳米的纳米金刚石和二维金刚石团簇,相关成果已发表于《Carbon》。

图1. a)用高能Xe离子照射样品的草图。b)少层石墨烯薄膜中嵌入的纳米尺寸钻石的高分辨率透射电子显微镜图像。c-e)纳米钻石尺寸分布。f)未经辐照的和经辐照的FLG薄膜的拉曼光谱。g,h) CVD FLG薄膜的XPS光谱分解成组分。

图2. HRTEM图像的放大片段,用于分别辐照了26(a)和167(d)MeV Xe离子的CVD少层石墨烯薄膜;相应的快速傅里叶变换(FFT)图案为(b)和(e)。一些明亮斑点,由彩色圆圈和方块标记,详细描述在表(c)和(f)中。辐照剂量分别为1×1011和5×1011离子/cm²。

图3. (a) 二维金刚石嵌入石墨烯的顶部、透视和侧视图,其中(100)面。(b), (c) 二维钻石嵌入石墨烯的顶部、透视和侧视图,其中(110)面。在(c)中,包含五边形缺陷的钻石簇呈现。sp²和sp³键分别用黑色和蓝色棒表示。

图4. a-c)基于石墨烯的薄膜的力学性能。9层石墨烯(a)以及石墨烯-金刚石(100)(b)和石墨烯-金刚石(110)(c)混合结构的应力-应变曲线。d-f) 9层石墨烯(d)以及石墨烯-金刚石(100)(e)和石墨烯-金刚石(110)(f)混合结构的压痕能量-挠度曲线。

       研究人员成功揭示了快重离子照射石墨烯生成二维金刚石的巨大潜力。在石墨烯薄膜中,纳米结构呈现出规则的金刚石结构,其变化受离子剂量和能量的调控。通过调整这些参数,实验获得了与理论预测相符的多种尺寸团簇。值得注意的是,此方法能独特地制备出(110)和(100)表面的金刚石薄膜,而其他表面则易石墨化。研究还发现,石墨烯薄膜厚度对金刚石结构形成至关重要,少于六层的薄膜仅产生(110)表面金刚石团簇,四层以下则无法维持金刚石结构。对复合材料(石墨烯/金刚石)机械刚度的评估表明,其虽较原始石墨烯更脆,但坚硬程度相当,甚至在受到压痕时,团簇区域的刚度显著超过原始石墨烯薄膜。

       石墨烯中金刚石结构的制造为超薄金刚石薄膜性能定制提供了新途径,具有电子学、光学和生物医学领域潜力。其稳定性和卓越性能使其成为未来技术创新的有力候选,有望在航空航天、汽车和医疗等领域发挥重要作用。

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