2024-05-09
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金剛石長(zhǎng)期在基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)中占據(jù)核心地位，其出色的機(jī)械性能、高導(dǎo)熱性、寬帶隙、光學(xué)特性、生物相容性及量子潛力均令人矚目。納米金剛石憑借其獨(dú)特性質(zhì)，在電子、光學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大技術(shù)潛力，引發(fā)了廣泛關(guān)注。然而，其穩(wěn)定性仍是待解難題。相比石墨，金剛石穩(wěn)定性較弱，僅受動(dòng)力學(xué)壁壘保護(hù)。納米尺度的金剛石表面效應(yīng)可能削弱這一保護(hù)，威脅整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。即便在穩(wěn)定狀態(tài)下，納米金剛石結(jié)構(gòu)亦面臨合成過(guò)程中的嚴(yán)苛條件挑戰(zhàn)。
多層石墨烯作為輻照靶，為制造特定超薄金剛石薄膜提供了新途徑。其高表面比率使得石墨烯鉆化可在薄膜厚度上局部實(shí)現(xiàn)，為調(diào)控電子性能提供了機(jī)會(huì)。例如，電子輻照能在石墨烯層間局部形成鍵合，構(gòu)成載流子障礙?？焖僦仉x子輻照多層石墨烯（位于SiO2基底上）則能形成孔隙或局部結(jié)構(gòu)阻尼，影響導(dǎo)電性。其中，輻照過(guò)程中形成單晶二維納米金剛石（二維金剛石）尤為引人關(guān)注。MeV能量的快速重離子輻照展現(xiàn)出形成金剛石的潛力，通過(guò)急劇增溫和沖擊波實(shí)現(xiàn)，并能在不影響表面石墨化的前提下，形成如(100)表面的二維金剛石薄膜。
科研人員來(lái)自莫斯科鋼鐵與合金學(xué)院、西伯利亞分院半導(dǎo)體物理研究所和杜布納聯(lián)合核子研究所，通過(guò)高能重離子轟擊多層石墨烯，成功制備出穩(wěn)定的石墨烯-金剛石納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。這種新材料輕盈且兼具石墨烯的導(dǎo)電性與金剛石的硬度，為航空航天和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域帶來(lái)巨大潛力。研究首次驗(yàn)證了Xe26+離子在26至167 MeV能量下能在石墨烯中形成5至20納米的納米金剛石和二維金剛石團(tuán)簇，相關(guān)成果已發(fā)表于《Carbon》。
圖1. a)用高能Xe離子照射樣品的草圖。b)少層石墨烯薄膜中嵌入的納米尺寸鉆石的高分辨率透射電子顯微鏡圖像。c-e)納米鉆石尺寸分布。f)未經(jīng)輻照的和經(jīng)輻照的FLG薄膜的拉曼光譜。g,h) CVD FLG薄膜的XPS光譜分解成組分。
圖2. HRTEM圖像的放大片段，用于分別輻照了26（a）和167（d）MeV Xe離子的CVD少層石墨烯薄膜；相應(yīng)的快速傅里葉變換（FFT）圖案為（b）和（e）。一些明亮斑點(diǎn)，由彩色圓圈和方塊標(biāo)記，詳細(xì)描述在表（c）和（f）中。輻照劑量分別為1×1011和5×1011離子/cm2。
圖3. (a) 二維金剛石嵌入石墨烯的頂部、透視和側(cè)視圖，其中（100）面。(b), (c) 二維鉆石嵌入石墨烯的頂部、透視和側(cè)視圖，其中（110）面。在（c）中，包含五邊形缺陷的鉆石簇呈現(xiàn)。sp2和sp3鍵分別用黑色和藍(lán)色棒表示。
圖4. a-c)基于石墨烯的薄膜的力學(xué)性能。9層石墨烯（a）以及石墨烯-金剛石（100）（b）和石墨烯-金剛石（110）（c）混合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。d-f) 9層石墨烯（d）以及石墨烯-金剛石（100）（e）和石墨烯-金剛石（110）（f）混合結(jié)構(gòu)的壓痕能量-撓度曲線。
研究人員成功揭示了快重離子照射石墨烯生成二維金剛石的巨大潛力。在石墨烯薄膜中，納米結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出規(guī)則的金剛石結(jié)構(gòu)，其變化受離子劑量和能量的調(diào)控。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，實(shí)驗(yàn)獲得了與理論預(yù)測(cè)相符的多種尺寸團(tuán)簇。值得注意的是，此方法能獨(dú)特地制備出（110）和（100）表面的金剛石薄膜，而其他表面則易石墨化。研究還發(fā)現(xiàn)，石墨烯薄膜厚度對(duì)金剛石結(jié)構(gòu)形成至關(guān)重要，少于六層的薄膜僅產(chǎn)生（110）表面金剛石團(tuán)簇，四層以下則無(wú)法維持金剛石結(jié)構(gòu)。對(duì)復(fù)合材料（石墨烯/金剛石）機(jī)械剛度的評(píng)估表明，其雖較原始石墨烯更脆，但堅(jiān)硬程度相當(dāng)，甚至在受到壓痕時(shí)，團(tuán)簇區(qū)域的剛度顯著超過(guò)原始石墨烯薄膜。
石墨烯中金剛石結(jié)構(gòu)的制造為超薄金剛石薄膜性能定制提供了新途徑，具有電子學(xué)、光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域潛力。其穩(wěn)定性和卓越性能使其成為未來(lái)技術(shù)創(chuàng)新的有力候選，有望在航空航天、汽車和醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
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