Графен и алмаз объединяются для создания сверхпрочных материалов будущего

Улучшить качество наноэлектронных и оптических устройств поможет новый ультрапрочный, стабильный и гибкий композит из графена и алмаза, который можно получить с помощью облучения материала ионами ксенона. Исследование инициировали ученые НИТУ МИСИС совместно с ИФП СО РАН и ОИЯИ. Углеродные пленки содержащие алмазы размером от 5 до 20 нм сохраняют свою структуру и свойства, демонстрируя высокую механическую прочность и температурную стабильность. Материал перспективен для космической авиации, автомобильной и биомедицинской отраслей. 

«Алмазы играют важную роль в науке и технике благодаря своим исключительным свойствам, включая механическую твёрдость, теплопроводность и биосовместимость. При этом образование монокристаллических двумерных наноалмазов в структуре графена при облучении представляет собой весьма любопытный вопрос. В нашей работе показано, что облучение графена тяжелыми ионами с энергией МэВ дает позволяет сформировать двумерные алмазные пленки. Этот подход открывает новые перспективы для получения ультратонких алмазных пленок с уникальными электронными свойствами», — рассказал д.ф.-м.н. Павел Сорокин, заведующий лабораторией цифрового материаловедения НИТУ МИСИС.

Двумерные наноалмазы могут найти широкое применение в отраслях, где требуются прочные, проводящие и одновременно функциональные покрытия, в частности для покрытия деталей микросхем, имплантов, создания чувствительных сенсоров и других технологических решений. Ученые Университета МИСИС, Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова и Объединенного института ядерных исследований впервые изучили возможность формирования наноалмазов в многослойном графене, облучив его быстрыми тяжелыми ионами ксенона. В результате эксперимента в нескольких слоях графена были обнаружены встроенные наноструктуры с регулярной алмазной структурой, размеры которых варьировались от 5 до 20 нм. Выяснилось, что для образования алмазов требуется не менее шести слоев графена. Подробности исследования опубликованы в научном журнале Carbon (Q1).

«Полученный материал с различными типами углеродных связей может сочетать в себе преимущества каждого отдельного элемента структуры и демонстрировать высокие прочность, жесткость и гибкость.  Ультратонкие двумерные алмазные пленки, способные сохранить целостность алмазоподобных структур, имеют потенциал во множестве областей, начиная от электроники и оптики, заканчивая биомедициной», — добавил Лев Томилин, лаборант-исследователь лаборатории цифрового материаловедения НИТУ МИСИС.

Новая разработка позволяет лучше понять влияние структуры поверхности на свойства этих материалов. Внедрение сверхпрочных компонентов, обеспечивающих прочную ковалентную связь, позволяет значительно улучшить общие механические свойства. 

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-12-00399).