Работа была опубликована в журнале Nanomaterials.
Синтез двумерного алмаза является сложнейшей задачей, поскольку в отличие от графена и многих других двумерных материалов, диаман не может быть расщеплен из кристалла. Более того, термодинамический анализ показывает, что алмазная пленка из нескольких слоев без стабилизирующего слоя является нестабильной и распадается на многослойный графен, поскольку поверхностная энергия алмаза выше, чем у графита. Этот вывод подтверждается экспериментом, в которых графен подвергался высоким давлениям в алмазной камере. Было получено, что давление алмазообразования в многослойном графене было намного выше, чем в алмазе, при этом образовавшиеся алмазные плёнки были нестабильными при после снятия давления.
Наиболее перспективным способом получения двумерного алмаза представляется использование графена в качестве прекурсора, на который осаждаются сторонние атомы (например, водород). В этом случае термодинамическая стабильность материала полностью меняется, ранее нестабильная алмазная пленка становится энергетически выгодной, а графеновые слои стремятся соединиться друг с другом. Несмотря на ряд обнадеживающих экспериментальных результатов, подтверждающих подобные предсказания, вопрос о синтезе диамана далек от разрешения. Действительно, зарождению диамана в графене препятствует высокая стабильность графеновой π-системы, сопротивляющейся присоединению новых атомов. В результате только два слоя графена могут быть относительно легко соединены, и только в случае использования водородной плазмы в качестве источника водорода. В случае использования H2 можно ожидать появления значительного барьера зарождения, который может быть преодолен только с помощью высокого давления и температуры.
Однако действительная структура графена содержит структурные дефекты, которые могут быть использованы в качестве центров зарождения, что может позволить синтезировать диаман в менее жестких условиях. В представленной работе мы подробно исследовали такой эффект. Для этого мы изучили одни из наиболее распространенных структурных дефектов в графене и выявили их влияние на зарождение алмаза. Мы обнаружили, что тип и концентрация структурных дефектов могут в достаточной степени влиять на начальную и, что особенно важно, на последующие стадии зарождения алмаза. При этом влияние дефектов на прочность связи C-H исчезает уже на второй координационной сфере. Мы показали, что агломерация вакансий (которая может быть произведена низкоэнергетическим ионным облучением) может в достаточной степени расширить реакционную область, что исчезает барьер зарождения для первых стадий зарождения (см. рисунок ниже).
Средняя энергия связи как функция числа атомов в кластере H для бислойного графена AB, содержащего 1 (синяя линия), 2 (красная линия), 3 (желтая линия) и 4 (фиолетовая линия) сквозные вакансии. На вставке представлен графена (вид сверху) с 4 агломерированными. Энергии связи H в молекуле H2 (εH2) и в бесконечном диамане (εb(∞)) отмечены пунктирной и сплошной горизонтальными линиями, соответственно. Зависимость εb(n) для водорода на поверхности бездефектного бислойного графена AB показана черным цветом
Влияние дефектов Стоуна-Уэльса меньше, но все же способствует гидрированию и связыванию графеновых слоев. Мы показываем, что 1D дефект (дислокация) не только способствует алмазообразованию, но и может привести к появлению 2D алмаза, состоящего из химически связанных зерен различной кристаллографической ориентации. Поэтому поликристаллический графен, обычно наблюдаемый в эксперименте, может стать основой для специфических поликристаллов 2D алмаза, содержащие различные поверхности. Даже гексагональные и кубические 2D алмазы могут сосуществовать вместе в одной пленке с энергией границ зерен, сравнимой с аналогичными значениями для других двумерных углеродных структур (см. рисунок ниже).
(слева) атомная структура поликристаллического двухслойного графена, содержащего симметрично ориентированные зёрна на θ = 11,5° с дефектами 5|7, выделенными синим и красным цветами, соответствующими первому и второму слою; (справа) атомная структура поликристаллического диамана, полученного путем гидрирования графена, представленного слева, состоящая из зерен с кубической алмазной и лонсдейлитовой структурами
