研究人员使用纳米材料在室温下制造二维钻石簇

原子级二维六方氮化硼(h-BN)是一种很有前途的材料。它的可变能力经过相变形成一种强、超轻、化学稳定、抗氧化的薄膜，使其成为防护涂层、纳米技术热应用、深紫外光发射器等。

不同多型h-BN体现的可能性包括超硬金刚石相和立方结构(c-BN)，其强度和硬度仅次于实际的碳金刚石。制造这种材料的关键是能够诱导和控制各种晶相之间的转变，这种转变足够高效和经济，以实现规模经济。

尽管以“块状”或三维构型合成这种材料需要很大的压力和热量，但纽约大学坦登工程学院的研究人员发现，层状分子二维薄膜中的h-BN可以在室温下转化为BN。

在一项新的研究中，由纽约坦顿大学化学和生物分子工程教授Elisa Riedo领导的团队与Sandia国家实验室的纳米技术中心Remi Dingreville合作，使用原子级压缩的纳米尖端进行实验和模拟。二维氢氮化硼层揭示了这些室温相变是如何发生的，以及如何优化它们，部分是通过改变氢氮化硼薄膜的层数。

这项研究的题目是“二维金刚石氮化硼的压力诱导形成和力学性质”，作者包括纽约城市大学化学教授安杰洛邦乔诺；菲利波切里尼，纽约大学坦顿里多皮科福斯实验室前博士后研究员；桑迪亚国家实验室的陈健；瑞安哈特曼，纽约大学坦登分校化学和生物分子工程副教授；弗朗切斯科拉维尼和菲利普波波维奇博士。里多实验室的学生作为封面故事出现在《高级科学杂志》第8卷第2期。

里多说：“当BN处于金刚石相时，其硬度和刚度会显著增加。事实上，它几乎和传统的碳金刚石一样坚硬，具有更高的热稳定性和化学稳定性，但通常在自然界中找不到。立方氮化硼的形成必须在实验室进行。于是，我们开始探索原子薄膜这种特殊情况下六方氮化硼向立方氮化硼相变的物理和理解。”

拉维尼解释说，这项工作包括使用原子力显微镜(AFM)对具有1至10个原子层的h-BN薄膜施加压力。为了测试从六方晶体结构到立方晶体结构的相变程度，AFM纳米探针同时施加压力和测量材料的弹性。

“高硬度证明了向金刚石晶体结构的相变。这很关键，因为在室温下相变发生之前还不清楚，”他解释说。“因为整个相变物理学在二维宇宙中是不同的，我们在发现和重新定义一些基本的物质规则。比如在这种状态下，六方相到立方相的能垒要小得多。”

实验和模拟还揭示了实现向c-BN转变的最佳厚度：研究人员观察到单层h-BN薄膜没有相变，而双层和三层薄膜的刚度增加了50%，纳米尺度尖端施加压力，代表了从h-BN到c-BN的相变。在三层以上，研究人员观察到金刚石相变程度降低。

通过研究中描述的模拟，合作者还发现了相变的异质性：他们发现钻石在压力下不会自发地均匀变化，而是以簇的形式形成和扩展。他们还观察到，h-BN层数越多，金刚石团簇的数量越少。

里多解释说，二维氮化硼金刚石相对于二维碳金刚石(也称为金刚石)的优势是适应性和潜在的制造经济性。“最近，我们发现二烯可以从石墨烯中诱导出来，但需要特定类型的基底或化学物质，而h-BN可以在环境大气中的任何基底上形成金刚石。总的来说，我们在二维材料中发现了压力诱导金刚石相的特殊新特征，”她说。

里多表示，下一阶段将转向应用研究，并对特定应用的机械阻力进行更大规模的实验。