Двуслойный графен при сильном сжатии обратимо образует пленку со сравнимой с алмазом поперечной жесткостью, а также устойчивую к прокалыванию алмазом. Такое превращение можно провести при комнатной температуре, но если слоев будет больше, то оно не произойдет, сообщается в исследовании, опубликованном в журнале Nature Nanotechnology.

Углерод существует в виде разных модификаций, которые имеют одинаковый состав, но совершенно разные свойства. В последние несколько лет ученые изучают не только известные формы, такие как графен, но и процессы перехода углерода между разными аллотропными модификациями. Существуют некоторые работы, в которых с помощью моделирования описывается переход графена толщиной в несколько слоев в алмазоподобную структуру, но экспериментально превращение в структуру с характерными для алмаза механическими свойствами так и не было достигнуто.

Исследователи под руководством Анжело Бонджорно (Angelo Bongiorno) из Городского университета Нью-Йорка экспериментально получили из графена пленку с похожими на алмаз структурой и свойствами. Они создали на подложке из карбида кремния эпитаксиальные пленки из графена с разной толщиной: один, два, пять и десять слоев графена. Ученые решили проверить поперечную жесткость разных образцов с помощью наноиндентирования: они внедряли в образцы индентор со сферическим наконечником с радиусом 120 нанометров и измеряли глубину проникновения индентора и прикладываемую нагрузку.

Измерения жесткости графена с разным количеством слоев, сравниваемые с жесткостью подложки из карбида кремния. Yang Gao et al. / Nature Nanotechnology, 2017

В случае с однослойным графеном модуль Юнга в перпендикулярном плоскости направлении был таким же, как и у материала подложки (карбида кремния), а в случае нескольких слоев близким к модулю Юнга графита. Однако в случае с двухслойными образцами жесткость была заметно выше, чем у подложки. Кроме того, такой образец выдержал внедрение индентора с алмазным наконечником с нагрузкой 30 микроньютонов, тогда как остальные образцы легко прокалывались в таких условиях.

Снимки образцов двуслойного графена, подложки из карбида кремния и пятислойного графена, полученные с помощью атомно-силового микроскопа. Yang Gao et al. / Nature Nanotechnology, 2017

Моделирование с помощью теории функционала плотности показало, что во время фазового перехода из графена в алмазоподобную структуру происходит переход углерода из sp2 в sp3 гибридизацию. Также с помощью моделирования исследователи выяснили, что, в отличие от двуслойного графена, 3– и 4-слойный переходит в алмазоподобную структуру только в случае ромбоэдрической или гексагональной упаковки слоев, тогда как обычно слои в многослойном графене упакованы укладкой Берналя. Именно это удерживает графен с более, чем двумя слоями, от образования алмазоподобной структуры.

Также исследователи подтвердили фазовый переход с помощью измерения электропроводности. Выяснилось, что в двуслойном графене при достаточной для фазового перехода нагрузке происходит падение электропроводности, которое также указывает на изменение структуры.

Недавно ученые выяснили, что алмаз можно превратить в графит не только с помощью нагревания при высоких давлений, но и путем облучения мягким рентгеновским облучением. Оказалось, что при этом переход происходит по механизму, не связанному с нагреванием, и занимает на порядок меньше времени.

Автор: Григорий Копиев