双层石墨烯如何变成金刚石？

碳可以形成不同类型的材料，从金刚石到石墨以及新近的富勒烯、纳米管和石墨烯。这些材料由于碳键结构不同，而表现出各种特殊性质。制造硬度相当或优于金刚石的薄层材料是一个一直以来的挑战。从科学和技术两方面的原因来说，石墨转变成金刚石仍然是材料科学中最令人着迷和研究的固-固相变之一。最近，在实验和理论上的努力，已经有了许多通过表面的化学官能化来引起多层石墨烯转变类金刚石结构的研究。然而，尽管取得了一些成功，但是这种原子级薄层的类金刚石薄膜还没有实验证据证明其具有类似于金刚石的机械性能。

来自纽约城市大学的研究小组，在ElisaRiedo领导的实验团队和AngeloBongiorno领导的理论团队的努力下，发现在极高的压力下挤压双层石墨烯可以将其转化为超薄金刚石薄膜。这种有趣的现象在单层或多层石墨烯情况下还没有被发现，只能发生在双层石墨烯的情况下。也许有一天，可以被用来开发超薄保护涂层，或者用于某些高精尖的电子元件。

ElisaRiedo领导的小组通过将AFM尖端压入裸碳化硅以及覆盖有各种数量的石墨烯层的碳化硅，来测量其表面硬度时，发现了一个有趣的现象。单层的石墨烯层会稍微降低了表面硬度，而三层以及更多层则会显著降低表面硬度。然而，奇怪的是，双层的石墨烯涂层会使得表面更硬。即使是金刚石压头也不能在双层石墨烯覆盖的表面进行标记，这表面至少它会和金刚石一样坚硬。Riedo的团队对此感到困惑。一年来，他们重复了实验，并认为他们错了。最后，由AngeloBongiorno领导的理论团队指出，正如之前的理论研究中预言的那样，石墨烯可以转化为钻石。随后，实验团队和理论团队一起对所得的硬化薄膜进行多项测试。根据密度泛函理论推断，金刚石和碳化硅之间的晶格失配使得表面上的第一层石墨烯中产生了扣环。这些扭曲减少了前两个sp2杂化石墨烯片转变成sp3杂化金刚石晶格的能垒。然而，当存在两层以上时，与这些附加层的结合阻碍了转变。Riedo说：“现在我们正在进一步了解界面的重要性。

这项研究的结果表面双层石墨烯是制造压力激活适应性超硬超薄涂层和力控耗散开关的有趣候选者。研究开辟了新的途径来研究室温下低维系统中的石墨-金刚石相变。最后这项工作为石墨烯中单层金刚石的生成提供了新的途径，例如，类金刚石相可以通过局部压力与温度、钝化气体或局部加热相结合，变成更稳定的状态。这些纳米结构具有非常有前景的光学和电子性质，对未来材料的影响难以计量。