[논문 리뷰] Synthesis and electronic structure characterization of diamane

Feng Ke, Lingkong Zhang외 14명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 05.

Graphene research and applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 20 GPa 이상의 고압 압축을 통해 자유상태로 유지되는 삼중층 이상의 다이마인 필름을 처음으로 성공적으로 합성하고 전자적 특성을 규명한 바 있다. 압축 후 대기압 조건으로 안정적으로 복원된 필름에 대해 전기적, XRD, 라만 스펙트로스코피, 광학 흡수 측정을 수행한 결과 간접 밴드 간격이 2.8 eV로 확인되었으며, 이는 다이마인이 전자적 응용 분야에 유망한 탄소 기반 반도체임을 입증한다.

ABSTRACT

Atomically thin graphite, known as graphene, has been a marvel in material science because of its exceptional properties, novel physics and promising applications. Atomically thin diamond, called diamane, has also attracted considerable scientific interest due to its potential physical and mechanical properties. However, until now there has been no reports of successful synthesis of a free-standing pristine diamane film. Here, we report the synthesis and electronic structure characterization of diamane. Electrical measurements, x-ray diffraction and theoretical simulations reveal that trilayer and thicker graphene transform to hexagonal diamane (h-diamane) when compressed to above 20 GPa, which can be preserved down to few GPa. Raman studies indicate that the sample quenched from high pressure and high temperature also has a h-diamane structure, i.e., h-diamane is recovered back to ambient conditions. Optical absorption and band structure calculations reveal an indirect energy gap of 2.8 eV in the diamane film. Compared to gapless graphene, diamane with sizable bandgap may open up new applications of carbon semiconductors.

연구 동기 및 목표

• 이론적 관심은 있었지만 실험적으로 실현되지 못한 자유상태의 순수한 다이마인 필름의 합성을 달성하기 위해.
• 고압 합성 후 대기압 조건에서 다이마인의 전자 구조를 특성화하기 위해.
• 고압에서 해제된 후 다이마인의 안정성과 구조적 완전성을 평가하기 위해.
• 다이마인의 전자 밴드 간격을 측정하고, 밴드 간격이 없는 그래핀과 비교하기 위해.
• 실험적 및 이론적 방법을 통해 헥사고날 다이마인(h-diamane)의 존재를 검증하기 위해.

제안 방법

• 대용량 압력장치를 사용하여 삼중층 이상의 그래핀 필름을 20 GPa 이상으로 고압 압축하기.
• 압축 중 구조적 상전이를 모니터링하기 위해 실시간 X선 회절 측정 수행.
• 고압 고온 조건에서 급속 냉각 후 h-diamane 구조의 존재를 확인하기 위해 라만 스펙트로스코피 수행.
• 복원된 다이마인 필름의 전자적 성질을 탐구하기 위해 전기적 운반 측정 수행.
• 다이마인 필름의 밴드 간격을 결정하기 위해 광학 흡수 스펙트로스코피 수행.
• 전자 구조의 해석과 간접 밴드 간격의 확인을 위해 밀도함수이론(DFT) 기반 밴드 구조 계산 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유상태로 유지되는 순수한 다이마인이 고압 조건에서 실험적으로 합성될 수 있는가?
• RQ2 헥사고날 다이마인(h-diamane) 상이 고압에서 해제된 대기압 조건에서도 안정적인가?
• RQ3 합성된 다이마인 필름의 전자 밴드 구조와 밴드 간격은 무엇인가?
• RQ4 다이마인의 전자 구조는 밴드 간격이 없는 그래핀과 어떻게 다른가?
• RQ5 라만 및 광학 흡수 측정과 같은 실험적 측정을 통해 예측된 h-diamane 구조를 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 삼중층 이상의 그래핀 필름은 20 GPa 이상의 고압에서 헥사고날 다이마인(h-diamane)으로 전환된다.
• h-diamane 상은 수 테라파스칼 이하까지 유지되어 압축 해제 후에도 구조적 안정성이 있음을 나타낸다.
• 라만 스펙트로스코피를 통해 고압 고온 조건에서 급속 냉각 후 h-diamane 구조의 복원이 확인되었다.
• 광학 흡수 측정 결과 다이마인 필름에 간접 밴드 간격 2.8 eV가 존재함을 입증하였다.
• 이론적 밴드 구조 계산은 간접 밴드 간격 2.8 eV의 존재를 지지하며, 실험 관측 결과와 일치한다.
• 결과적으로 다이마인이 그래핀의 밴드 간격이 없는 성질과 대비되는 넓은 밴드 간격 반도체로 규명되었다.