Как получить настоящий графен с помощью «Fairy» и кухонного блендера. Графен как получить

новые методы получения и последние достижения • Александр Самардак • Новости науки на «Элементах» • Нанотехнологии, Физика

Графен всё более притягателен для исследователей. Если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, то за первые 8 месяцев 2008 года — уже 801 публикация. Каковы же наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур и технологий?

На сегодняшний день графен (рис. 1) — самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода. Он вошел в учебники по физике и в нашу реальность в 2004 году, когда исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов сумели его получить, используя обычную ленту-скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита, знакомого нам в виде карандашного стержня (см. Приложение). Замечателен тот факт, что графеновый лист, помещенный на подложку из оксидированного кремния, можно рассмотреть в хороший оптический микроскоп. И это при его толщине всего в несколько ангстрем (1Å = 10–10 м)!

Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими, электрическими, механическими и термическими свойствами. Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми (рис. 2).

Несмотря на то что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может обеспечить наикратчайший путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим широко используемым химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако при получении графена химическими методами есть некоторые трудности, которые должны быть преодолены: во-первых, необходимо достигнуть полного расслоения графита, помещенного в раствор; во-вторых, сделать так, чтобы отслоенный графен в растворе сохранял форму листа, а не сворачивался и не слипался.

На днях в престижном журнале Nature были опубликованы две статьи независимо работающих научных групп, в которых авторам удалось преодолеть вышеназванные трудности и получить графеновые листы хорошего качества, подвешенные в растворе.

Первая группа ученных — из Стэнфордского университета (Калифорния, США) и Пекинского института физики (Китай) — внедряла серную и азотную кислоты между слоями графита (процесс интеркаляции; см. Graphite intercalation compound), и затем быстро нагревала образец до 1000°C (рис. 3a). Взрывное испарение молекул-интеркалянтов производит тонкие (толщиной в несколько нанометров) графитовые «хлопья», которые содержат множество графеновых слоев. После этого в пространство между графеновыми слоями химически внедряли два вещества — олеум и гидроокись тетрабутиламмония (ГТБА) (рис. 3b). Обработанный ультразвуком раствор содержал как графит, так и графеновые листы (рис. 3c). После этого методом центрифугирования проводили отделение графена (рис. 3d).

В тоже время вторая группа ученых — из Дублина, Оксфорда и Кембриджа — предложила другую методику для получения графена из многослойного графита — без использования интеркалянтов. Главное, по словам авторов статьи, использовать «правильные» органические растворители, такие как N-метил-пирролидон. Для получения высококачественного графена важно подобрать такие растворители, чтобы энергия поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном была такой же, как для системы графен–графен. На рис. 4 показаны результаты пошагового получения графена.

Успех обоих экспериментов основан на нахождении правильных интеркалянтов и/или растворителей. Конечно, существуют и другие методики для получения графена, такие как преобразование графита в оксид графита. В них используется подход, называемый «оксидирование–расслоение–восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит становится гидрофильным (или попросту влаголюбивым) и может легко расслаиваться на отдельные графеновые листы под действие ультразвука, находясь в водяном растворе. Полученный графен обладает замечательными механическими и оптическими характеристиками, но его электрическая проводимость на несколько порядков ниже, чем проводимость графена, полученного при помощи «скотч-метода» (см. Приложение). Соответственно, такой графен вряд ли сможет найти применение в электронике.

Как оказалось, графен, который был получен в результате двух вышеобозначенных методик, более высокого качества (содержит меньшее количество дефектов в решетке) и, как результат, обладает более высокой проводимостью.

Очень кстати пришлось еще одно достижение исследователей из Калифорнии, которые недавно сообщили о высокоразрешающей (разрешение до 1Å) электронной микроскопии с низкой энергией электронов (80 кВ) для прямого наблюдения за отдельными атомами и дефектами в кристаллической решетке графена. Ученым впервые в мире удалось получить изображения атомной структуры графена высокой четкости (рис. 5), на которых можно своими глазами увидеть сеточную структуру графена.

Еще дальше ушли исследователи из Корнелловского университета. Из листа графена им удалось создать мембрану толщиной всего в один атом углерода, и надуть ее, как воздушный шарик. Такая мембрана оказалась достаточно прочной для того, чтобы выдерживать давление газа в несколько атмосфер. Эксперимент состоял в следующем. На подложку из оксидированного кремния с предварительно вытравленными ячейками были помещены листы графена, которые вследствие ван-дер-ваальсовых сил плотно прикрепились к поверхности кремния (рис. 6a). Таким образом были образованы микрокамеры, в которых можно было удерживать газ. После этого ученые создавали разность давлений внутри и снаружи камеры (рис. 6b). Используя атомно-силовой микроскоп, измеряющий величину отклоняющей силы, которую кантилевер с иглой чувствует при сканировании мембраны на высоте всего нескольких нанометров от ее поверхности, исследователям удалось наблюдать степень вогнутости-выгнутости мембраны (рис. 6c–e) при изменении давления до нескольких атмосфер.

После этого мембрана была использована в роли миниатюрного барабана для измерения частоты ее вибраций при изменении давления. Было установлено, что гелий остается в микрокамере даже при высоком давлении. Однако поскольку графен, использованный в эксперименте, был не идеален (имел дефекты кристаллической структуры), то газ понемногу просачивался через мембрану. В течение всего эксперимента, который продолжался более 70 часов, наблюдалось неуклонное уменьшение натяжения мембраны (рис. 6e).

Авторы исследования указывают, что подобные мембраны могут иметь самые разнообразные применения — например, использоваться для изучения биологических материалов, помещенных в раствор. Для этого будет достаточно накрыть такой материал графеном и изучать его сквозь прозрачную мембрану микроскопом, не опасаясь за утечку или испарение раствора, поддерживающего жизнедеятельность организма. Также можно сделать проколы атомного размера в мембране и затем наблюдать, изучая диффузионные процессы, как отдельные атомы или ионы проходят сквозь отверстие. Но самое главное — исследование ученых из Корнелловского университета еще на шаг приблизило науку к созданию одноатомных сенсоров.

Стремительный рост количества исследований на графене показывает, что это действительно очень перспективный материал для широкого круга применений, но до воплощения их в жизнь еще следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.

Источники:1) Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir–Blodgett films // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 538–542.2) Yenny Hernandez et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 563–568.3) Jannik C. Meyer et al. Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphene Membranes // NanoLetters (2008), doi: 10.1021/nl801386m.4) Andre K. Geim, Philip Kim. Carbon Wonderland // Scientific American (2008). No. 4. P. 90–97. См. также по-русски: Андре Гейм и Филип Ким «Углерод — страна чудес» // «В мире науки» № 7, 2008.5) J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets (доступен полный текст) // NanoLetters. V. 8. No. 8. P. 2458–2462 (2008).

Александр Самардак

elementy.ru

Графен можно получать с помощью кухонного блендера и жидкости для мытья посуды

Несмотря на то, что задача получения графена в промышленных масштабах до сих пор не решена, лабораторные способы его добычи иногда бывают исключительно простыми и доступными. Классический вариант — механическое расщепление крупинок графита с помощью обычного скотча, описанный в работе Константина Новосёлова и коллег в 2004 году. С этой работы фактически началась современная эпоха массового исследования свойств графена, а Новосёлов и его коллега Андрей Гейм за исследования графена получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.

К сожалению, метод механического расщепления практически не масштабируется — после многократного расслаивания приходится искать крошечные, длиной порядка микрона, и практически прозрачные кристаллы с помощью микроскопа. Разработано несколько химико-механических методов расслаивания графена, при помощи ультразвука, растворителей и поверхностно-активных веществ. С помощью этих методов получают суспензию хлопьев графена в воде или растворителе — метод, вполне пригодный в лаборатории, но, как и механическое расщепление, пока не слишком хорошо масштабируемый.

В апрельском номере журнала Nature materials опубликовано исследование команды учёных из Англии и Ирландии, которые разработали весьма простой, и при этом имеющий хорошие перспективы масштабирования метод получения графена. Оказывается, крошечные чешуйки графена можно получать, обрабатывая суспензию графита миксером с достаточно высокими оборотами. В своей работе учёные в основном использовали лабораторный миксер L5M компании Silverson и специально подобранные реактивы, однако они опробовали свой метод и с обычным кухонным блендером Kenwood BL370 и жидкостью для мытья посуды Fairy в качестве поверхностно-активного вещества, не дающего хлопьям графена слипаться. Результаты получились вполне сравнимыми.

Блендер, процесс «взбивания» графена и одна из графеновых чешуек под микроскопом Единственное устройство, которое трудно найти на каждой кухне, и которое необходимо для того, чтобы отделить графеновые хлопья от оставшихся нерасщеплёнными крупинок графена — центрифуга. Дело в том, что при любых способах получения графена из суспензии порошка графита, выход графена, пригодного для дальнейшего использования или экспериментов, довольно мал — так, в эксперименте с бытовым блендером при концентрации графита в исходном растворе 100 мг/мл после 30 минут «взбивания» получается концентрация графена порядка 0,15 мг\мл.

Хотя эти цифры не поражают воображение, в сравнении с другими методами производства графена, использование миксеров очень эффективно — на получение одного и того же количества графена тратится намного меньше энергии, чем при использовании ультразвука. Кроме того, это метод очень хорошо масштабируется — в лаборатории получали до 100 литров графеновой суспензии за один заход — ультразвуковые установки как правило работают с объёмами на несколько порядков меньше. Учёные посчитали, что промышленная установка, способная перемешивать 10 кубических метров раствора в час, сможет выдавать до 7,5 кг графена.

Полученная суспензия чешуек графена может быть использована для создания тонких графеновых покрытий с высокой электро- и теплопроводностью, а так же в качестве армирующей добавки, значительно улучшающей механические свойства пластмасс. На основе чешуек графена и покрытий из них можно делать солнечные батареи, сенсоры и суперконденсаторы.

Хотя сама статья на сайте Nature доступна лишь на платной основе, там можно бесплатно скачать очень подробные и информативные дополнительные материалы (PDF, 4,3 Мб) с подробным описанием всех экспериментов и сравнением нового метода получения графена с существующими.

habr.com

Свойства графена и его получение

Графит используется в карандашах с 1564 г. Как минерал его описал Геснер в 1565 г., название дал Вернер Шееле в 1779 г. от греч. γράφω – рисовать, писать.

Графит состоит из атомов углерода, является полуметаллом, поскольку с ростом температуры сопротивление уменьшается.

Кристалл графита представляет собой стопку плоских шестиугольных кристаллических решеток. Соседние слои расположены на расстоянии 3,37 Å друг от друга и повернуты на , их положения повторяются через одну решетку для α-гафита, и через две – для метастабильного β-графита. Между решетками связи ван-дер-ваальсовы – сила притяжения вызвана диполь-дипольным взаимодействием. Сила слабая, решетки отделяются друг от друга, оставляя след карандаша на бумаге. Отделенная от графита плоская гексагональная решетка называетсяграфеном.

Толщина графена ~(0,6–0,8) Å, расстояние между соседними атомами 1,42 Å. Связи ковалентные – валентные электроны соседних атомов являются общими для двух атомов – в своем движении охватывают оба атома. Связи сильные, поэтому решетка практически не имеет дефектов.

Графен в туннельном микроскопе

Свойства графена

1. Химически стабилен, оптически прозрачен. Графен на Si, покрытом слоем SiO2 толщиной d ~ 300 нм, наблюдается оптически в виде темного пятна. Модуль Юнга превышает сталь в ~20 раз.

2. Атом углерода имеет четыре валентных электрона, три обеспечивают ковалентные связи с соседними атомами гексагональной решетки. Четвертый не образует ковалентной связи, его орбиталь сосредоточена вблизи перпендикуляра к кристаллической плоскости. Орбитали соседних атомов направлены в противоположные стороны от плоскости. Поэтому гексагональная решетка состоит из двух треугольных подрешеток. Проводимость без свободных носителей обеспечивается перескакиванием четвертого электрона с одного атома на другой в обеих подрешетках. Отсутствие этого электрона является дыркой.

3. В пространстве векторов обратной решетки первая зона Бриллюэна имеет форму шестиугольника с двумя неэквивалентными вершинами

, называемымиточками Дирака. От этих точек отсчитывается энергия. Области около точек Дирака называются долинами. В долинах при зонная структура имеет коническую форму. На рис. a0  2,46 Å.

Решетка графена Зона Бриллюэна

и элементарная ячейка (u,v,w,z) обратной решетки

Зоны графена

Точка Дирака K совпадает с уровнем Ферми, в ней соприкасаются зона проводимости с валентной зоной, запрещенная зона отсутствует. В зоне проводимости носителем тока является электрон, в валентной зоне – дырка. При комнатной и более низкой температуре носители тока находятся вблизи уровня Ферми.

4. Электроны и дырки имеют нулевую эффективную массу, высокую подвижность и при комнатной температуре проходят без рассеяния более 1 мкм – тысячи межатомных расстояний. Проводимость конечная даже при нулевой концентрации свободных носителей тока и равна кванту проводимости , где множитель 4 учитывает электрон и дырку в двух долинах.

5. В графене наблюдается релятивистский эффект Клейна – при нормальном падении на потенциальный барьер любой высоты электрон проходит его без отражения.

6. В магнитном поле спектр не эквидистантный, как для уровней Ландау, имеется уровень с нулевой энергией. Магнитные состояния термостабильны – разность энергий уровней превышает тепловую энергию при комнатной температуре .

7. Нанолента графена может быть полуметаллом с нулевой шириной запрещенной зоны, или полупроводником с запрещенной зоной, ширина которой зависит от поперечного размера наноленты, от кристаллической формы края, от посторонних атомов, присоединенных к краю, от внешних электрического и магнитного полей.

8. В графене наблюдается целочисленный квантовый эффект Холла при нормальной температуре в сильном магнитном поле ~30 Тл.

9. Упругое напряжение сдвига вдоль главных кристаллографических направлений раздвигает конусы энергетических зон в точках Дирака в противоположные стороны и создает поля, подобные электромагнитному полю.

10. Молекулы, адсорбированные на поверхность графена, выступают как доноры (,,), как или акцепторы (,). В результате изменяется концентрация носителей тока и сопротивление графена. Поэтому графен являетсясенсором отдельных молекул.

11. Для движущихся носителей заряда n–p-переход в графене создает отрицательный показатель преломления. Плоский n–p-переход преобразует расходящийся электронный пучок в сходящийся.

12. Присоединение атомов водорода к атомам графена посредством химической реакции дает графан, являющийся диэлектриком с энергетической щелью ~5,4 эВ. Комбинирование на одной пленке графена и графана (проводника и изолятора) создает устройства с разнообразными физическими свойствами.

13. На основе графена получен полевой транзистор p-типа в 2006 г., из графеновой наноленты создан полевой транзистор n-типа в 2009 г. Размеры затворов ~10 нм.

14. Графен является перспективным материалом в наноэлектронике – в элементах памяти, в солнечных элементах, как накопитель электроэнергии, как оптически прозрачный электрод с высокой электро- и теплопроводностью, как стандарт электрического сопротивления, как транзистор терагерцевого диапазона частот (). Главным препятствием для широкого использования графена является трудность получения при массовом производстве качественной однослойной решетки площадью 100х100 мкм и выше.

Получение графена. В 1935–37 г.г. Р. Пайерлс и Л.Д. Ландау доказали, что в двумерной системе отсутствует дальний кристаллический порядок. Тепловые флуктуации смещений атомов вызывают искривление плоскости и ее самопроизвольное сворачивание. В 1973–77 г.г. показано, что при низких температурах может быть квазидальний порядок. Критические температуры и расстояния были неизвестны. В 2004 г. К.С. Новоселов, А.К. Гейм и С.В. Морозов получили графен площадью до 1000 мкм2 методом микромеханического расслоения графита при трении о поверхность окисленного кремния. Графен в виде мембраны в пространстве, или на подложке, оказался механически стабильным при комнатной температуре. Тепловые колебания вызывают лишь локальные искривления нанометрового размера – рипплы.

Методы получения:

Термодеструкция. При нагревании кристалла карбида кремния SiC в вакууме происходит переход в газовую фазу кремния, на поверхности кристалла остается углерод, образуются ковалентные связи, возникает графен. Существует проблема отделения графена от подложки. Если его оставить на подожке, то графен имеет энергетическую щель ~0,26 эВ;
Расслаивание графита при помощи липкой пленки с последующим переносом на поверхность окисленного кремния. Механические напряжения при расслаивании превышают предел прочности пленки и не позволяют получить ее размер, больший нескольких микрометров. Присутствуют многослойные участки;
Осаждение из газовой фазы. Переходной металл Ni, Cu, Pt, Co выдерживается в парах углеводорода, например метана, или бензола при,Углеводород диссоциирует на поверхности металла благодаря катализационному процессу, водород десорбируется. При медленном охлаждении углерод образует графеновый слой в пределах кристаллического зерна металла размером в несколько микрометров. На краю кристаллита число слоев возрастает из-за поступления углерода, растворенного в металле. Сложно отделить графен от подложки.
Интеркаляция. Используется пиролитический графит в виде мягкой, эластичной, неприлипающей пленки с рекордно высокой теплопроводностью. Молекулы при 110°C внедряются между слоями пиролитического графита. Последующее резкие повышение температуры в СВЧ-печи до значений, превышающих температуру кипения серной кислоты, вызывают отделение слоев графита.

Мембрана графена получается отделением графенового слоя от подложки путем ее травления. Далее графен переносится на устройство. На рис. (а) показан электромеханический резонатор на основе графена. Графен и подложка из Si образуют конденсатор. Переменное электрическое поле вызывает колебания графена. На рис. (б) дано изображение реального устройства в сканирующем электронном микроскопе с масштабом 1 мкм.

а б

Концентрация свободных носителей тока, степень заполнения зон и положение уровня Ферми регулируется затвором. Электрическое напряжение V прикладывается между подложкой из кремния и графеном. В зависимости от полярности напряжения графен обогащается электронами или дырками, возникает p-n переход.

Величина напряжения ограничена пробоем диэлектрика SiO2 толщиной нм с. Возникающий конденсатор имеет электроемкость

n – поверхностная концентрация зарядов;

S – площадь графена.

Поверхностная концентрация свободных носителей тока пропорциональна напряжению

Достигнуто значение

В случае дырок это означает удаление практически всех электронов, которые не задействованы в ковалентных связях. Минимальное значение

При нормальной температуре носители тока имеют высокую и слабо зависящую от температуры подвижность

Она существенно снижается при помещении графена на SiO2. Отсутствие дефектов решетки не дает рассеяния. В результате велики время рассеяния и длина свободного пробегадаже при комнатной температуре, что соответствуетбаллистическому движению зарядов. Эти данные сопоставимы с показателями для гетероструктуры GaAs-AlGaAs при низкой температуре

, ,.

191

studfiles.net

Как получить настоящий графен с помощью «Fairy» и кухонного блендера

Первое – насыпьте в блендер немного графитового порошка. Добавьте воды и моющего средства, и смешайте всё это на высокой скорости. Поздравляем, вы только что получили супер-материал будущего – графен.

Этот на удивление простой рецепт – самый лёгкий способ массового производства чистого графена, плёнок углерода толщиной в один атом. Этот материал способен произвести революцию в индустрии электроники благодаря его необычным электрическим и термическим свойствам. Однако до сегодняшнего дня производство высококачественного графена в больших количествах было весьма сложным процессом – лучшие лабораторные техники позволяли производить его со скоростью не более половины грамма в час.

«Существуют компании, которым удаётся производить графен в гораздо больших объёмах, но его качество отнюдь не идеально», говорит Джонатан Колман из Колледжа Тринити, Дублин.

Команда Колмана получила заказ от Thomas Swan – химической компании из Консетта, Британия, для разработки лучшего решения. Из прежних работ им уже было известно, что графен можно получать из графита, поскольку тот фактически состоит из слоёв графена, сложенных вместе как колода карт.

Команда поместила графитовый порошок и жидкий растворитель в лабораторную центрифугу и заставила её вращаться. Анализ с помощью электронного микроскопа показал, что таким способом действительно можно получать графен со скоростью около 5 граммов в час. А чтобы определить, насколько масштабируем этот процесс, учёные перепробовали множество типов моторов и растворителей. В результате они обнаружили, что обычный кухонный блендер и моющее средство Fairy точно также справляются с этой работой.

Единственная техническая сложность применения этого метода в домашних условиях заключается в том, что необходимый объём моющего средства зависит от свойств графитового порошка – например, распределения размеров его зёрен, и наличия примесей. А эти параметры можно определить только с помощью продвинутого лабораторного оборудования. Также метод не превращает весь графит в графен, так что в конце необходимо каким-либо образом их разделить.

Однако, этот процесс прекрасно масштабируется до уровня промышленного производства – 10000-литровый танк с правильным типом мотора может производить 100 граммов чистого графена в час. И Thomas Swan уже начала работу над пилотной системой.

По материалам Nature Materials.Источник: gearmix.ru

sci-dig.ru

Получение графена - просто, как записать DVD!

Получение графена, как оказалось, может быть довольно простим процессом. Получить графен так же просто, как записать DVD диск!

Графен — самый тонкий и прочный материал во вселенной, представляющий из себя двумерную аллотропную модификацию углерода. Исследования этого материала начались еще в середине прошлого века, но всемируную известность у широкой публики этот материал получил в 2010 году, когда английские ученые российского происхождения получили Нобелевскую премию по физике за успехи в области исследования данного материала.

Видимо это достижение не дает покоя и другим ученым. Так самым последним известием в этой области стало заявление ряда американских ученых о том, что получение графена в скором будущем станет еще проще.

Известно, что исследователи пошли по весьма оригинальному пути – они стали экспериментировать с пленками оксида графена восстонавливая его при помощи обычного DVD-рекордера!

Предполагается, что полученная таким образом графеновая пленка может быть нанесена на субстракты, используемые для изготовления высокопроизводительных гибких конденсаторов, которые в свою очередь используются в производстве гибких дисплеев и гибких солнечных панелей.

Следует отметить, что это направление является весьма интересным и перспективным. В связи, с чем многие исследователи по всему миру заняты поиском решения для производства более эффективных электрохимических конденсаторов. Причина проста – эти, так называемые, «суперконденсаторы» обладают рядом весьма перспективных свойств и возможностей. В часности такие конденсаторы могут многократно подвергаться перезарядке, однако есть и недостатки.

Однако на сегодняшний день такие конденсаторы обладают низкими показателями плотностей мощности и энергии. Увеличение плотности мощности позволит увеличить количество энергии на единицу времени, а повышение плотности энергии позволит увеличить продолжительность работы конденсатора. Устранить эти проблемы и может графен.

Графен обладает очень высоким показателем электропроводности. И для того, чтобы изготовить «суперконденсатор» остаточно просто поместить графен в фосфорную кислоту, являющуюся электролитом. Это позволит создать новое поколение электрохимических конденсаторов – конденсаторов с более высоким показателями плотнотей мощности и энергии. К основным препятствиям на этом пути относят существующие сложности получения графена – часто получаемые слои графена связаны друг с другом, что значительно уменьшает площадь материала и влияет в конечном итоге на электрические свойства.

Учитывая изложенное выше вполне оправданным выглядет тот интерес, который вызвали последние достижения американского ученого Махера Эль-Кади и его группы. Исследователи разработали новый и, необходимо признать, весьма оригинальный способ болучения графена. Своеобразным инструментом стал обычный DVD-проигрыватель! Сперва на DVD-диск наносят слой полимера, затем слой оксида графена. Обработанный диск помещают в обычнй DVD-рекордер, лазерный луч считывателя которого и восстанавливает графен из его оксида. В результате полимерный слой, с нанесенным на него слоем графена отделяется от поверхности диска.

Для того, чтобы получить непосредственно сам «суперконденсатор» пространство между двумя полученными листами графена заполняют фосфорной кислотой, являющегося электролитом.

Первые образцы нового электрохимического конденсатора, полученного сприменением графена, продемонстрировали высокую гибкость конструкции, а также показатели производительности уже существующих и серийно выпускаемых изделий для хранения энергии. По сравнению с конденсатором на основе углерода, графеновый электрохимический конденсатор продемонстрировал вдвое большую плотность энергии и в 20 раз большую плотность мощности.

Предполагается, что новая технология получения графена получит свое практическое и весьма активное применение в таких направлениях, как: питание гибких дисплеев; аккумуляторы, комбинированные с фотогальваническими элементами и многих других.

Уникальность и перспективность нововй технологии создания «суперконденсаторов» подтвердил и ученый-химик Университета Дрекселя – Юри Гогоци. Он отметил, что сам факт столь значительного увеличения показателей плотностей электроэнергии и мощности уже является серьезным прорывом, но та простота используемой технологии – может в принципе считаться как своеобразная революция в индустрии!

Не глядя на полученные результаты, группа Эль-Кади продолжает свою работу с еще большей интенсивностью. В настоящее время специалисты работают над увеличением производительности при минимизации затрат на получение графена по разработанной технологии. В дальнейшем предполагается и коммерциализации инновационной разработки.

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

mplast.by

Получение графена — WiKi

Методы получения графена разделяют на три класса по возможным областям применения[1]:

композитные материалы, проводящие чернила и т. п.;
графен низкого качества для электронных приложений;
графен высокого качества для электронных приложений.

Для первого класса, обычно получаемого химическим расщеплением, характерны размеры графена в сотни нанометров, а восстановленные химическими методами из оксидов графена и графита плёнки имеют размер порядка 100 микрон. Такие кристаллы не подходят для транспортных измерений, так как их подвижность низка, но их можно производить в больших количествах. Для третьего класса методов, в которые включается и механическое расщепление размеры монокристаллов составляют около миллиметра и образцы применяются в исследовательских лабораториях благодаря высокой подвижности носителей тока. Для этого класса методов не существует массового производства. Второй класс методов получение графена занимает промежуточное положение как по размерам монокристаллов, так и по подвижности, благодаря чему часто используется в лабораториях и обладает потенциалом для применения в промышленности[1].

Механические методы

Рис. 1. Кусочки тонких слоёв графита, полученные в процессе отшелушивания, на поверхности липкой ленты.

При механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит[2] можно получить плёнки графена вплоть до ~100 мкм[3]. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют раз за разом плёнки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в заранее известных местах подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм)[4]. Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину плёнки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена). Графен можно также определить при помощи рамановского рассеяния света[5] или измерением квантового эффекта Холла[2][6]. Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).

Альтернативный метод предложен в работе[7]. Метод заключается в том, что окисленную подложку кремния покрывают эпоксидным клеем (в работе использовался слой толщиной ~10 мкм) и тонкую пластинку графита прижимают к клею при помощи пресса. После удаления графитовой пластинки с помощью липкой ленты на поверхности клея остаются области с графеном и графитом. Толщину графита определяли с помощью комбинационного рассеяния света и атомно-силовым микроскопом измеряли шероховатость графена, которая оказалась равной всего 0.16 нм (в два раза меньше шероховатости графена на подложке кремния[8]).

В статье[9] предложен метод печати графеновых электрических схем (ранее этот метод использовался для печати тонкоплёночных транзисторов на основе нанотрубок и для органической электроники.[10][11]). Сам процесс печати состоит из последовательного переноса с подложки Si/SiO2 золотых контактов, графена и наконец диэлектрика (PMMA) с металлическим затвором на прозрачную подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) предварительно нагретую выше температуры размягчения до 170 °C, благодаря чему контакты вдавливаются в ПЭТФ, а графен приобретает хороший контакт с материалом подложки. При таком методе нанесения графена подвижность не становится меньше, хотя и появляется заметная асимметрия между электронной (μe=10000 см2В−1с−1) и дырочной (μh=4000 см2В−1с−1) областями проводимости. Этот метод пригоден для нанесения графена на любую подложку, пригодную, в частности, для оптических измерений.

Химические методы

Рис. 2. Слои интеркалированного графита можно легко отделить друг от друга[12]

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы[13]. Для начала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и азотной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита[14][15][16].

В статьях[17][18] описан ещё один химический метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу.

Эпитаксия и разложение

Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD)[19] и рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT)[20]. Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Работы[21][22] посвящены получению графена, выращенного на подложках карбида кремния SiC(0001). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность — в первом случае качество плёнок выше. В работах[23][24] та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

Графен можно вырастить на металлических подложках рутения[25] и иридия[26].

Другие методы

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить между электродами, то, как показано в работе[27], можно добиться того, что кусочки графита с поверхности, среди которых могут оказаться плёнки атомарной толщины, под действием электрического поля могут перемещаться на подложку окисленного кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластину слюды.

Некоторая комбинация механического метода (графитовым стержнем пишут по поверхности подложки кремния, оставляя плёнки при разрушении) и последующего высокотемпературного отжига (~1100 K) использована для получения тонких слоёв графита вплоть до однослойных плёнок[28].

См. также

Ссылки

Примечания

↑ 1 2 Novoselov K. S., Fal'ko V. I., Colombo L., Gellert P. R., Schwab M. G., Kim K. Дорожная карта для графена (англ.) = A roadmap for graphene // Nature. — 2012. — Vol. 490. — P. 192—200. — DOI:10.1038/nature11458.
↑ 1 2 Zhang Y.et. al. «Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene» Nature 438, 201 (2005) DOI:10.1038/nature04235
↑ Kuzmenko A. B. cond-mat/0810.2400
↑ Novoselov, K. S. et al. «Two-dimensional atomic crystals», PNAS 102, 10451 (2005) DOI:10.1073/pnas.0502848102
↑ Ferrari A. C. et. al. Raman Spectrum of Graphene and Graphene Layers Phys. Rev. Lett. 97, 187401 (2006) DOI:10.1103/PhysRevLett.97.187401
↑ Novoselov K. S. et al. «Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene», Nature 438, 197 (2005) DOI:10.1038/nature04233
↑ Huc V., et. al. Large and flat graphene flakes produced by epoxy bonding and reverse exfoliation of highly oriented pyrolytic graphite Nanotechnology 19, 455601 (2008) DOI:10.1088/0957-4484/19/45/455601 Препринт
↑ Ishigami M. et. al. Atomic Structure of Graphene on SiO2 Nano Lett., 7, 1643, (2007) DOI:10.1021/nl070613a
↑ Chen J.-H. et. al. Printed Graphene Circuits Adv. Mater. 19, 3623 (2007) DOI:10.1002/adma.200701059 Препринт
↑ Hines D. R. et. al. Nanotransfer printing of organic and carbon nanotube thin-film transistors on plastic substrates Appl. Phys. Lett. 86, 163101 (2005) DOI:10.1063/1.1901809
↑ Hines D. R. et. al. Transfer printing methods for the fabrication of flexible organic electronics Appl. Phys. 101, 024503 (2007) DOI:10.1063/1.2403836
↑ Shioyama H. Cleavage of graphite to graphene J. Mat. Sci. Lett. 20, 499—500 (2001)
↑ Solution Properties of Graphite and Graphene Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(24) pp 7720 — 7721; (Communication) DOI:10.1021/ja060680r
↑ Bunch J. S. et al. Coulomb Oscillations and Hall Effect in Quasi-2D Graphite Quantum Dots Nano Lett. 5, 287 (2005) DOI:10.1021/nl048111+
↑ Li X. et. al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir-Blodgett films Nature Nanotechnology 3, 538 (2008) DOI:10.1038/nnano.2008.210
↑ Hernandez Y. et. al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite Nature Nanotech. 3, 563 (2008) DOI:10.1038/nnano.2008.215
↑ Stankovich S. et al. «Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly(sodium 4-styrenesulfonate)», J. Mater. Chem. 16, 155 (2006) DOI:10.1039/b512799h
↑ Stankovich S. et al. «Graphene-based composite materials», Nature 442, 282 (2006) DOI:10.1038/nature04969
↑ Wang J. J. et. al. Free-standing subnanometer graphite sheets Appl. Phys. Lett. 85, 1265 (2004) DOI:10.1063/1.1782253
↑ Parvizi F., et. al. Graphene Synthesis via the High Pressure — High Temperature Growth Process Micro Nano Lett., 3, 29 (2008) DOI:10.1049/mnl:20070074 Препринт
↑ Rollings E. et. al. Synthesis and characterization of atomically thin graphite films on a silicon carbide substrate J. Phys. Chem. Solids 67, 2172 (2006) DOI:10.1016/j.jpcs.2006.05.010
↑ Hass J. et. al. Highly ordered graphene for two dimensional electronics Appl. Phys. Lett. 89, 143106 (2006) DOI:10.1063/1.2358299
↑ Berger, C. et al. «Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene», Science 312, 1191 (2006) DOI:10.1126/science.1125925
↑ J. Hass et. al. Why Multilayer Graphene on 4H-SiC(000-1) Behaves Like a Single Sheet of Graphene Phys. Rev. Lett. 100, 125504 (2008).
↑ Sutter P. W. et. al. Epitaxial graphene on ruthenium Nature Mat. 7, 406 (2008) DOI:10.1038/nmat2166
↑ N’Diaye A. T. et. al. Structure of epitaxial graphene on Ir(111) New J. Phys. 10, 043033 (2008) DOI:10.1088/1367-2630/10/4/043033
↑ Sidorov A. N. et al., Electrostatic deposition of graphene, Nanotechnology 18, 135301 (2007) DOI:10.1088/0957-4484/18/13/135301
↑ Banerjee A. and Grebel H. Depositing graphene films on solid and perforated substrates, Nanotechnology 19, 365303 (2008) DOI:10.1088/0957-4484/19/36/365303

ru-wiki.org

мифы и реальность / Offсянка

От редакции: затрагивая тему модернизации экономики России и развития высоких технологий в нашей стране, мы ставили задачу не только обратить внимание читателей на недостатки, но и рассказать о положительных примерах. Тем более что таковые есть, и немало. На минувшей неделе мы рассказывали о разработке в России топливных элементов, а сегодня поговорим о графене, за изучение свойств которого «бывший наш народ» недавно получил Нобелевскую премию. Оказывается, и в России, а точнее - в Новосибирске, над этим материалом работают весьма серьезно.

Кремний как основа микроэлектроники прочно завоевал позиции в пространстве высоких технологий, и произошло это не случайно. Во-первых, кремнию относительно легко придать нужные свойства. Во-вторых, он известен науке давно, и изучен «вдоль и поперек». Третья причина заключается в том, что в кремниевые технологии вложены поистине гигантские средства, и делать сейчас ставки на новый материал, пожалуй, мало кто решится. Ведь для этого придется перестраивать огромную промышленную отрасль. Вернее, строить ее почти с нуля.

Тем не менее, есть и другие претенденты на лидерство в качестве полупроводникового материала. Например, графен, который после вручения Нобелевской премии за изучение его свойств, стал очень моден. Для перехода на него с кремния действительно есть основания, так как графен обладает рядом существенных преимуществ. Но получим ли мы в итоге «электронику на графене» - еще не ясно, потому что рядом с достоинствами притаились и недостатки.

Чтобы поговорить о перспективах графена в микроэлектронике и о его уникальных свойствах, мы встретились в Новосибирске с главным научным сотрудником Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, доктором химических наук, профессором Владимиром Федоровым.

Алла Аршинова: Владимир Ефимович, каковы современные позиции кремния в микроэлектронике?

Владимир Федоров: Кремний очень давно используется в отрасли в качестве основного полупроводникового материала. Дело в том, что он легко легируется, то есть, в него можно добавлять атомы различных элементов, которые направленным образом изменяют физические и химические свойства. Подобная модификация высокочистого кремния позволяет получать полупроводниковые материалы n- или р-типа. Таким образом, направленным легированием кремния регулируют важные для микроэлектроники функциональные свойства материалов.

Кремний - действительно уникальный материал, и именно это является причиной того, что в него вложено столько сил, средств и интеллектуальных ресурсов. Фундаментальные свойства кремния изучены настолько детально, что есть распространенное мнение о том, что ему просто не может быть замены. Однако недавние исследования графена дали зеленый свет другой точке зрения, которая заключается в том, что новые материалы могут быть доведены до такой степени, что смогут заменить кремний.

Кристаллическая структура кремния

Подобные дискуссии возникают в науке периодически, и разрешаются они, как правило, только после серьезных исследований. Например, недавно была схожая ситуация с высокотемпературными сверхпроводниками. В 1986 году Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость в барий-лантан-медном оксиде (за это открытие им была присуждена Нобелевская премия уже в 1987 году – через год после открытия!), которая обнаруживалась при температуре, значительно превышающей значения, характерные для известных к тому времени сверхпроводящих материалов. При этом по строению купратные сверхпроводящие соединения значительно отличались от низкотемпературных сверхпроводников. Затем лавинообразные исследования родственных систем привели к получению материалов с температурой сверхпроводящего перехода 90 К и выше. Это означало, что в качестве хладоагента можно использовать не дорогой и капризный жидкий гелий, а жидкий азот - в газообразном виде его в природе очень много, и к тому же он существенно дешевле гелия.

Но, к сожалению, эта эйфория вскоре прошла после тщательных исследований новых высокотемпературных сверхпроводников. Эти поликристаллические материалы, как и другие сложные оксиды, подобны керамике: они хрупкие и непластичные. Оказалось, что внутри каждого кристалла сверхпроводимость имеет хорошие параметры, а вот в компактных образцах критические токи достаточно невысокие, что обусловлено слабыми контактами между зернами материала. Слабые Джозефсоновские переходы (Josephson junction) между сверхпроводящими зернами не позволяют изготовить материал (например, сделать провод) с высокими сверхпроводящими характеристиками.

Солнечная батарея на основе поликристаллического кремния

С графеном может получиться такая же ситуация. В настоящее время у него найдены очень интересные свойства, но еще предстоит провести широкие исследования для окончательного ответа на вопрос о возможности получения этого материала в промышленном масштабе и использования его в наноэлектронике.

Алла Аршинова: Объясните, пожалуйста, что такое графен, и чем он отличается от графита?

Владимир Федоров: Графен – это моноатомный слой, образованный из атомов углерода, который, как и графит, имеет решетку в форме сот. А графит это, соответственно, уложенные друг на друга в стопочку графеновые слои. Слои графена в графите связаны между собой очень слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями, потому и удаётся, в конце концов, оторвать их друг от друга. Когда мы пишем карандашом, это пример того, что мы снимаем слои графита. Правда, след карандаша, остающийся на бумаге, это еще не графен, а графеновая мультислойная структура.

Теперь каждый ребенок может на полном серьезе утверждать, что он не просто переводит бумагу, а создает сложнейшую графеновую мультислойную структуру

А вот если удается расщепить такую структуру до одного слоя, тогда получается истинный графен. Подобные расщепления и провели Нобелевские лауреаты по физике этого года Гейм и Новоселов. Им удалось расщепить графит с помощью скотча, и после исследования свойств этого «графитового слоя» выяснилось, что у него очень хорошие параметры для использования в микроэлектронике. Одним из замечательных свойств графена является высокая подвижность электронов. Говорят, графен станет незаменимым материалом для компьютеров, телефонов и прочей техники. Почему? Потому что в этой области идет тенденция на ускорение процедур обработки информации. Эти процедуры связаны с тактовой частотой. Чем выше рабочая частота, тем больше можно обработать операций в единицу времени. Поэтому скорость носителей заряда очень важна. Оказалось, что у графена носители заряда ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Такие свойства графена действительно позволяют надеяться, что можно будет создать устройства, способные работать на терагерцовых частотах, которые недоступны кремнию. Это одно из наиболее интересных свойств материала.

Нобелевские лауреаты по физике 2010 года Андрей Гейм и Константин Новоселов

Из графена можно получить гибкие и прозрачные пленки, что также очень интересно для целого ряда применений. Еще одним плюсом является то, что это очень простой и очень легкий материал, легче кремния; к тому же в природе углерода предостаточно. Поэтому если действительно найдут способ использовать этот материал в высоких технологиях, то, конечно, он будет иметь хорошие перспективы и, возможно, заменит в коне концов кремний.

Но есть одна фундаментальная проблема, связанная с термодинамической устойчивостью низкоразмерных проводников. Как известно, твердые тела подразделяются на различные пространственные системы; например, к системе 3D (three-dimensional) относят объемные кристаллы. Двумерные (2D) системы представлены слоистыми кристаллами. А цепочечные структуры относятся к одномерной (1D) системе. Так вот низкоразмерные – 1D цепочечные и 2D слоистые структуры с металлическими свойствами с термодинамической точки зрения не устойчивы, при понижении температуры они стремятся превратиться в систему, которая теряет металлические свойства. Это так называемые переходы «металл-диэлектрик». Насколько устойчивы будут графеновые материалы в каких-то устройствах, еще предстоит выяснить. Конечно, графен интересен, как с точки зрения электрофизических свойств, так и механических. Считается, что монолитный слой графена очень прочен.

Алла Аршинова: Прочнее алмаза?

Владимир Федоров: Алмаз обладает трехмерными связями, механически он очень прочный. У графита в плоскости межатомные связи такие же, может, и прочнее. Дело в том, что с термодинамической точки зрения алмаз должен превращаться в графит, потому что графит стабильнее алмаза. Но в химии есть два важных фактора, которые управляют процессом превращения: это термодинамическая стабильность фаз и кинетика процесса, то есть скорость превращения одной фазы в другую. Так вот, алмазы в музеях мира лежат уже столетиями и в графит не хотят превращаться, хотя должны. Может быть, через миллионы лет они все-таки превратятся в графит, хотя было бы очень жалко. Процесс перехода алмаза в графит при комнатной температуре протекает с очень медленной скоростью, но если вы нагреете алмаз до высокой температуры, тогда кинетический барьер преодолеть будет легче, и это точно произойдет.

Графит в первозданном виде

Алла Аршинова: То, что графит можно расщеплять на очень тонкие чешуйки, известно уже давно. В чем же тогда было достижение нобелевских лауреатов по физике 2010 года?

Владимир Федоров: Вы, наверное, знаете такого персонажа, как Петрик. После вручения Нобелевской премии Андрею Гейму и Константину Новоселову он заявил, что у него украли Нобелевскую. В ответ Гейм сказал, что, действительно, подобные материалы были известны очень давно, но им дали премию за изучение свойств графена, а не за открытие способа его получения как такового. На самом деле, их заслуга в том, что они смогли отщепить от высоко ориентированного графита очень хорошие по качеству графеновые слои и детально изучить их свойства. Качество графена очень важно, как и в кремниевой технологии. Когда научились получать кремний очень высокой степени чистоты, только тогда и стала возможна электроника на его основе. Такая же ситуация и с графеном. Гейм и Новоселов взяли очень чистый графит с совершенными слоями, сумели отщепить один слой и изучили его свойства. Они первые доказали, что этот материал обладает набором уникальных свойств.

Алла Аршинова: В связи с вручением Нобелевской премии ученым с русскими корнями, работающим заграницей, наши соотечественники, далекие от науки, задаются вопросом, можно ли было прийти к таким же результатам здесь, в России?

Владимир Федоров: Наверное, можно было. Просто они в свое время уехали. Их первая статья, опубликованная в Nature, написана в соавторстве с несколькими учеными из Черноголовки. По-видимому, наши российские исследователи тоже вели работу в этом направлении. Но завершить ее убедительным образом не получилось. Жалко. Возможно, одной из причин являются более благоприятные условия для работы в зарубежных научных лабораториях. Я недавно приехал из Кореи и могу сравнить условия работы, которые мне были там предоставлены, с работой дома. Так вот там я ничем не был озабочен, а дома – полно рутинных обязанностей, которые отнимают много времени и постоянно отвлекают от главного. Меня обеспечивали всем, что было необходимо, причем исполнялось это с поразительной быстротой. Например, если мне нужен какой-то реактив, я пишу записку - и на следующий день мне его привозят. Подозреваю, что у нобелевских лауреатов тоже очень хорошие условия для работы. Ну и им хватило упорства: они многократно пытались получить хороший материал и, наконец, достигли успеха. Они действительно потратили большое количество времени и сил на это, и премия в этом смысле вручена заслуженно.

Алла Аршинова: А какие именно преимущества дает графен по сравнению с кремнием?

Владимир Федоров: Во-первых, мы уже сказали, что он обладает высокой подвижностью носителей, как говорят физики, носители заряда не обладают массой. Масса всегда тормозит движение. А в графене электроны движутся таким образом, что можно считать их не обладающими массой. Такое свойство уникально: если и есть другие материалы и частицы со схожими свойствами, то встречаются они крайне редко. Этим графен оказался хорош, этим же он выгодно отличается от кремния.

Во-вторых, графен обладает высокой теплопроводностью, и это очень важно для электронных устройств. Он очень легкий, а графеновый лист - прозрачный и гибкий, его можно свернуть. Графен может быть и очень дешевым, если разработают оптимальные методы его получения. Ведь «скотч-метод», который продемонстрировали Гейм и Новоселов, не является промышленным. Этим методом получают образцы действительно высокого качества, но в очень малых количествах, только для исследований.

И сейчас химики разрабатывают другие способы получения графена. Ведь нужно получать большие листы, чтобы поставить производство графена на поток. Этими вопросами занимаемся и мы здесь, в Институте неорганической химии. Если научатся синтезировать графен с помощью таких методов, которые бы позволили получать материал высокого качества в промышленных масштабах, тогда есть надежда, что он произведет революцию в микроэлектронике.

Алла Аршинова: Как, наверное, все уже знают из СМИ, графеновую мультислойную структуру можно получить с помощью карандаша и липкой ленты. А в чем заключается технология получений графена, применяемая в научных лабораториях?

Владимир Федоров: Существует несколько методов. Один из них известен очень давно, он основан на использовании оксида графита. Его принцип довольно прост. Графит помещают в раствор высоко окисляющих веществ (например, серная, азотная кислота и др.), и при нагревании он начинает взаимодействовать с окислителями. При этом графит расщепляется на несколько листочков или даже на одноатомные слои. Но полученные монослои не являются графеном, а представляют собой окисленный графен, в котором есть присоединенный кислород, гидроксильные и карбоксильные группы. Теперь главная задача заключается в том, чтобы эти слои восстановить до графена. Поскольку при окислении получаются частички небольшого размера, то надо их каким-то образом склеить, чтобы получить монолит. Усилия химиков направлены на то, чтобы понять, как можно из оксида графита, технология получения которого известна, сделать графеновый лист.

Есть еще один метод, также достаточно традиционный и известный уже давно - это химическое осаждение из газовой фазы с участием газообразных соединений. Его суть заключается в следующем. Сначала реакционные вещества возгоняют в газовую фазу, потом их пропускают через нагретую до высоких температур подложку, на которой и осаждаются нужные слои. Когда подобран исходный реагент, например, метан, его можно разложить таким способом, чтобы водород отщепился, а углерод остался на подложке. Но эти процессы трудно контролируемы, и идеальный слой получить сложно.

Графен— одна из аллотропных модификаций углерода

Существует и другой метод, который сейчас начинает активно применяться, – метод использования интеркалированных соединений. В графит, как и в другие слоистые соединения, можно помещать между слоями молекулы различных веществ, которые называются «молекулы гостя». Графит – это матрица «хозяина», куда мы поставляем «гостей». Когда происходит интеркаляция гостей в решетку хозяина, естественно, слои разъединяются. Это как раз то, что и требуется: процесс интеркаляции расщепляет графит. Интеркалированные соединения являются очень хорошими предшественниками для получения графена - нужно только вынуть оттуда «гостей» и не дать слоям снова схлопнуться в графит. В этой технологии важным этапом является процесс получения коллоидных дисперсий, которые можно превращать в графеновые материалы. Мы в нашем институте поддерживаем именно такой подход. На наш взгляд, это самое продвинутое направление, от которого ожидаются очень хорошие результаты, потому что из различного рода интеркалированных соединений можно наиболее просто и эффективно получать изолированные слои.

По структуре графен похож на соты. И с недавних пор он стал очень «сладкой» темой

Выделяют и еще один способ, который называют тотальный химический синтез. Он заключается в том, что из простых органических молекул собирают нужные «соты». Органическая химия обладает очень развитым синтетическим аппаратом, который позволяет получать огромное разнообразие молекул. Поэтому методом химического синтеза пытаются получить графеновые структуры. Пока что удалось создать графеновый лист, состоящий примерно из двухсот атомов углерода.

Разрабатываются и другие подходы к синтезу графена. Несмотря на многочисленные проблемы, наука в этом направлении успешно продвигается вперед. Есть большая доля уверенности в том, что существующие препятствия будут преодолены, и графен приблизит новую веху в развитии высоких технологий.

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

3dnews.ru