나노기술 및 정책 정보

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두 층의 그래핀을 결합하는 것은 나노 스케일 다이아몬드를 형성하는 쉬운 경로이지만 때로는 두꺼울수록 좋음. 처리된 초박막 재료의 이중층을 디아만 입방격자로 바꾸는 데 약간의 열이 필요한 반면에, 적절한 위치에 약간의 압력을 가하면 몇 층의 그래핀도 변환할 수 있음.

라이스 대학교(Rice University) 연구팀이 화학적으로 구동되는 다른 방식의 공정도 이론적으로 가능하다는 것을 발표하였음. 연구팀의 연구는 놀라운 강도로 알려진 원자처럼 얇은 탄소 형태인 몇 층 그래핀에 압력을 가하면 수소 또는 불소와 표면 화학 반응을 통해 반응물의 핵생성을 할 수 있다고 제안함. 거기에서 다이아몬드와 같은 격자는 상단과 하단에서 공유결합하고 있는 수소 또는 불소 원자가 표면에 공유 결합하여 불이 번지듯이 층 사이에 탄소-탄소 연결을 촉진하면서 재료 전체에 전파되어야함.

한 지점(수 나노 미터 정도로 작음)에 가해지는 압력은 이중층에는 전혀 필요하지 않지만 더 두꺼운 필름에서는 점진적으로 더 강해야함. 산업 규모의 벌크 흑연으로 합성 다이아몬드를 만들려면 약 10-15 기가 파스칼 (평방 인치당 725,000 파운드)의 압력이 필요함. 하지만, 나노 크기(이 경우 나노미터 두께)에서는 표면 화학만으로 결정의 열역학을 변화시켜 매우 높은 압력의 영역에서 실질적으로 압력이 없는 영역으로 상변화 지점을 이동할 수 있음. 이 경우 전자 제품용 단결정 다이아몬드 필름으로 매우 바람직함. 이 물질은 경화된 절연체 또는 나노 전자 부품의 냉각을 위한 열변환기로 사용될 수 있음. 트랜지스터에서 광대역 갭 반도체 역할을 하거나 광학 응용 분야의 요소로 도핑될 수도 있음.

연구팀은 2014년에 diamane이 어떻게 열역학적으로 실현 가능한지 보여주는 위상 다이어그램을 개발했음. 그것을 만드는 쉬운 방법은 아직 없지만, 새로운 연구는 이전 연구에서 부족했던 중요한 요소를 추가함. 즉, 반응을 억제하는 핵 생성에 대한 에너지 장벽을 극복하는 방법임. 지금까지는 이중층 그래핀 만이 디아만(diamane)으로 재현 가능하게 변환되었지만 순수한 화학을 통해 국부적인 압력과 그것이 유발하는 기계 화학과 결합하면 시도할 수 있는 유망한 경로가 될 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Small’ (“Nano‐Thermodynamics of Chemically Induced Graphene–Diamond Transformation”) 지에 게재됨