[論文レビュー] Evidence for a pressure-induced phase transition of few-layer graphene to 2D diamond

Luiz G. P. Martins, Diego L. Silva+17 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2019

Graphene research and applications参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、水を圧力伝達媒体として用い、静水的条件下で数層グラフェンに圧力誘発相転移が起こり、2次元ダイヤモンド（ダイヤモンドエン）に移行することを実験的・理論的根拠で示した。高圧ラマンおよびX線回折（XRD）データから、4–7 GPaの間で徐々に表面から底面へのダイヤモンド化が進行することが判明し、六方ダイヤモンド構造がダイヤモンドエンと整合的であることが示された。これは、安定した2次元フェロ磁性半導体を形成する道筋を示しており、スピントロニクス応用に有望である。

ABSTRACT

We unveil the diamondization mechanism of few-layer graphene compressed in the presence of water, providing robust evidence for the pressure-induced formation of 2D diamond. High-pressure Raman spectroscopy provides evidence of a phase transition occurring in the range of 4-7 GPa for 5-layer graphene and graphite. The pressure-induced phase is partially transparent and indents the silicon substrate. Our combined theoretical and experimental results indicate a gradual top-bottom diamondization mechanism, consistent with the formation of diamondene, a 2D ferromagnetic semiconductor. High-pressure x-ray diffraction on graphene indicates the formation of hexagonal diamond, consistent with the bulk limit of eclipsed-conformed diamondene.

研究の動機と目的

• 数層グラフェンに高圧を加えた場合に、安定した2次元ダイヤモンド（ダイヤモンドエン）が形成可能かどうかを調査すること。
• 圧力伝達媒体としての水の役割が相転移をどのように促進するかを特定すること。
• ダイヤモンド化過程における構造的変化および対称性の破れを特徴づけること。
• 数層グラフェンにおけるトップダウン型ダイヤモンド化経路のメカニズム的理解を確立すること。
• 高圧XRDおよび理論的モデリングを用いて、六方ダイヤモンド構造の形成を検証すること。

提案手法

• 機械的剥離法で得た数層グラフェンおよび石墨を25-μmのシリコン基板に転写し、水を圧力伝達媒体として用いたダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いて高圧ラマン分光測定を実施した。
• 高圧X線回折（XRD）は、Advanced Photon SourceのHPCATで実施され、構造的変化を調査し、六方ダイヤモンドの形成を確認した。
• 分子動力学（MD）シミュレーションおよび密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、相転移メカニズムをモデル化し、電子的性質を予測した。
• ラマンスペクトルのGバンドおよび2Dバンドの周波数シフト、強度比（I2D/IG）、および半値全幅の変化を分析し、構造的転移を検出した。
• 光学画像および粉末回折を用いて、多結晶性グラフェン試料における透過性および配向効果を評価した。
• グラフェン、氷VII、およびバルク状の六方ダイヤモンドのXRDパターンを比較分析し、新相の同定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水を存在下に置いた状態で、高圧が数層グラフェンから2次元ダイヤモンドへの相転移を誘発するか？
• RQ2 数層グラフェンにおけるダイヤモンド化プロセスの圧力範囲とメカニズムは何か？
• RQ3 圧力伝達媒体としての水の使用が、相転移のキネティクスおよび対称性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 得られた2次元相は、予測されたダイヤモンドエン構造と整合的であり、フェロ磁性および半導体的性質を示すか？
• RQ5 高圧XRDおよびラマン分光法を併用することで、数層グラフェンにおける六方ダイヤモンドの形成を信頼性を持って確認できるか？

主な発見

• 高圧ラマン分光測定により、5層グラフェンおよび石墨において4–7 GPaの間で相転移が観察された。Gバンドおよび2Dバンドの周波数および半値全幅に顕著な変化が認められた。
• 圧力誘発相は部分的に透明となり、シリコン基板にへこみを生じさせた。これはダイヤモンドに類似した極めて高い硬さを示している。
• 高圧XRDにより、六方ダイヤモンド（ロンズドルファイトに類似した構造）の形成が確認され、ねじれ配置のダイヤモンドエンのバルク限界と一致した。
• 転移は徐々に表面から底面へと進行するトップダウン型のダイヤモンド化機構に従い、理論的予測と整合的である。
• 水を圧力伝達媒体として用いることで、非静水的条件下と比較して、より均一かつ滑らかな相転移が可能となった。
• 粉末状のグラフェン試料では、ランダムな積層構造のため垂直方向の圧力伝達が不十分であり、相転移範囲が広がり（最大約24 GPaまで）、単結晶的フラックとは対照的であった。