重大突破！石墨烯-纳米金刚石复合材料！

长期以来，金刚石在基础科学和技术领域具有重要意义。它们卓越的机械性能、高导热性、宽带隙、光学性能、生物相容性和量子应用潜力使其异常出色。

纳米金刚石独特的特性使其在未来电子、光学和生物医学等各个行业的技术进步中具有巨大潜力，引起了人们的极大兴趣。然而其稳定性仍然是一个重要挑战。从热力学上讲，与石墨相比，金刚石的稳定性较低，它的剥离仅受到显著的动力学壁垒限制。然而，纳米尺度的金刚石表面效应可能会降低这一壁垒，导致整个金刚石结构的不稳定。值得注意的是，即使是稳定的纳米金刚石结构也会经受相当大的结构应力，在合成过程中需要严格的条件。

使用多层石墨烯作为辐照靶开辟了获得特定、超薄金刚石薄膜的新可能性。高表面比率使得在整个薄膜厚度上局部实现石墨烯钻化成为可能，为有效调控其电子性能提供了机会。例如，电子辐照可以在大石墨烯层之间局部形成键合，为辐照区域的载流子创建一个障碍。另一方面，位于SiO2基底上的多层石墨烯的快速重离子辐照可形成孔隙或局部的结构阻尼，也影响了薄膜的导电性。

在辐照过程中，石墨烯结构内形成单晶二维纳米金刚石（二维金刚石）是一个引人注目的问题。用MeV能量的快速重离子辐照石墨烯显示出形成金刚石的希望，这是因为温度急剧增加（高达~7000 K）和冲击波的出现。这种方法可以实现表面不受石墨化影响的二维金刚石薄膜的形成，如具有(100)表面的薄膜。

鉴于此，俄罗斯研究型大学莫斯科钢铁与合金学院、俄罗斯科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的科研人员采用高能重离子轰击多层石墨烯，获得了稳定的嵌有金刚石纳米结构的石墨烯薄膜复合材料。新材料重量轻，兼具石墨烯良好的导电特性和金刚石的硬度优势，在航空航天和生物医学设备等领域具有广阔的应用前景。

研究人员首次探索了通过快速重离子辐照多层石墨烯形成纳米金刚石的可能性，证明了Xe²⁶⁺在26到167 MeV范围内的撞击能量可以在石墨烯中形成小型纳米金刚石和扩展的二维金刚石团簇，其横向尺寸范围从5到20 nm。相关研究成果以“2D diamond structures in multilayer graphene: Simulation and experimental observation”为题发表于《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。

综上，研究人员揭示了用快重离子照射石墨烯产生二维金刚石的显著潜力。石墨烯薄膜中观察到的纳米结构呈现出规则的金刚石结构，具体变化取决于离子剂量和能量。通过调整这些参数，成功地获得了与理论预测相符的不同大小的团簇。值得注意的是，该发现证实了只有通过这种方法才能获得具有（110）和（100）表面的金刚石薄膜，而具有其他表面的薄膜由于表面效应倾向于发生石墨化。

此外，研究人员预测了石墨烯薄膜的厚度在确定产生的金刚石结构方面起着关键作用。揭示了少于六层的石墨烯薄膜仅产生具有（110）表面的金刚石团簇，而四层（更薄）薄膜无法维持金刚石结构。研究人员对获得复合材料（石墨烯/金刚石）的机械刚度的估计表明，如果通过单轴拉伸薄膜来计算弹性常数，它比原始石墨烯更脆但至少同样坚硬。事实上，当团簇受到压痕时，它甚至可以显著超过金刚石团簇区域原始石墨烯薄膜的刚度。

在石墨烯中制造金刚石结构的能力为定制超薄金刚石薄膜的性能打开了可能性的领域。这些薄膜在从电子学和光学到生物医学领域的多个领域都具有巨大潜力。金刚石结构的固有稳定性和非凡性能使它们成为未来技术突破的有希望的竞争者。这种超强、柔韧、导电的元素二维碳复合材料可以被认为是太空飞机、汽车和生物医学设备行业的有希望的材料。在这一领域的进一步探索可能为开发性能和功能增强的新材料和器件铺平道路。

原文：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118832