是否可以将两层“新材料之王”（即石墨烯）连接起来并转换为最薄的类金刚石材料，即“晶体之王钻石烯”？ 来自韩国的研究人员在《Nature Nanotechnology》中报道了使用化学诱导的方法，在较为温和的压力和温度条件下，使大面积双层石墨烯转化为尽可能薄的类金刚石结构的首次实验观察。 这种柔软且坚固的材料属于宽带隙半导体，因此在纳米光学，纳米电子学等工业的应用中具有巨大潜力，也可以用作微纳机电系统的发展方向。

钻石，铅笔芯和石墨烯由相同的构成元素制成：碳原子。然而，造成他们性质如此不同的正是这些原子之间的不同的化学键。 在钻石中，碳原子在各个方向上都牢固地结合在一起，形成了一种具有非凡的电，热，光学和化学特性的极其坚硬的材料。 在铅笔芯中，碳原子排列成一堆薄片，每个薄片都是石墨烯结构。 强碳-碳键构成石墨烯，但薄片之间的弱键很容易折断，这部分解释了铅笔芯为何较为柔软。 在石墨烯层之间建立层间键合会形成一种二维材料，类似于金刚石薄膜（称为钻石烯），这种材料具有许多优异的特性。

之前将双层或多层石墨烯转变成钻石烯的方式主要依赖于氢原子的介入或施加高压。 在前者中，化学结构和化学键配置难以控制和表征。 在后者中，压力撤除后，样品容易恢复为石墨烯。 天然钻石也是在高温和高压的地球深处形成的。 但是，韩国科学家们尝试了另一种巧妙地方法制备钻石烯。

上图：双层石墨烯和氟-钻石烯的优化模型，橙色和灰色球体分别代表氟原子和碳原子

下图：双层石墨烯和氟-钻石烯的生长状态下截面TEM图片，具有突出的层间和原子间距离

该团队设计了一种新的合成策略，通过将双层石墨烯暴露于氟而不是氢气中来促进钻石烯的形成。 他们使用二氟化氙蒸气作为氟的来源，而且并不需要高压环境。 产物是一种超薄的类金刚石材料，即氟化金刚石单层：氟-钻石烯，具有层间键和外部氟原子。

关于合成细节，他们通过在单晶金属（CuNi（111）合金）箔上氟化大面积双层石墨烯来实现氟-钻石烯的合成，然后在其上通过化学气相沉积（CVD）生长所需类型的双层石墨烯。

碳氟键可以容易地通过表征手段与碳碳键区分开。 该团队在双层石墨烯氟化12、6和2-3小时后使用包括了基于广泛的光谱学研究以及TEM的方法分析了样品。研究人员能够明确地证明，在某些定义明确且可重复的条件下，在双层石墨烯中添加氟会导致氟-钻石烯的形成。 例如，两个石墨烯片之间的层间空间为3.34埃，但是当形成层间键时，层间空间减小至1.93-2.18埃，这也与理论研究所预测的数值相吻合。

第一作者兼通讯作者Bakharev指出：“这种简单的氟化方法可在接近室温且在低压下使用，而无需使用等离子体或任何气体活化机制，因此减少了样品产生缺陷的可能性。”

而且，氟-钻石烯可以不依托基底被悬挂。第一作者之一Huang说 “我们发现，通过将氟-钻石烯从CuNi（111）衬底转移到TEM栅格，然后再进行一轮轻度氟化，可以得到独立的单层钻石”。

团队负责人Ruoff教授指出，这项工作可能会激发全世界对钻石烯这种世界上最薄的类金刚石薄膜的兴趣。其电子和机械性能可以通过改变其表面来调节。 他进一步指出，此类钻石烯最终可能还会为大面积单晶金刚石薄膜的生产提供一条途径。

新闻来源：https://phys.org/news/2019-12-tech-jewel-graphene-diamond.html