Российские ученые выяснили, почему при высоких температурах оксид графена не сгорает, а становится основой для перспективной и недорогой методики получения графена. Результаты исследования опубликованы в журнале Carbon.
Хотя с момента вручения Нобелевской премии за эксперименты по исследованию графена прошло уже более десяти лет, пока не разработано эффективной и недорогой методики получения качественного графена большой площади, которую можно было бы перенести на получение промышленных объемов. Одной из перспективных идей в этом направлении является применение лазерного излучения для восстановления графена из оксида графена. Сам оксид графена при этом получается химическим путем из обычного графита. Лазерная методика восстановления привлекательна своей дешевизной и возможностью контролируемо варьировать качество получаемого материала.
Несколько лет назад группа ученых из Сколтеха обнаружила, что графен достаточно высокого качества можно получить в ходе импульсного лазерного нагрева оксида до 3300–3800 К даже в обычной воздушной атмосфере.
«Такой результат коллег был очень неожиданным: удивительно, что при таких высоких температурах у них получалось что-то хорошо структурированное, ведь углеродные материалы активно горят в присутствии атмосферного кислорода уже начиная с температур 600–800 К. А в эксперименте при существенно бо́льших температурах графен, напротив, приобретал хорошие структурные свойства, — рассказывает Никита Орехов, заместитель заведующего лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ. — Чтобы разобраться в природе этого неожиданного эффекта, мы решили воспользоваться методами суперкомпьютерного атомистического моделирования* и изучить процесс восстановления оксида графена при высоких температурах, проведя дополнительное экспериментальное исследование по схеме коллег».
В ходе расчетов ученые обнаружили, что, с одной стороны, при высоких температурах (>3000 К) атомы кислорода из газового окружения действительно активно взаимодействуют с графеном, окисляя и разрушая его. С другой, при этих же температурах начинается быстрый отжиг кристаллической решетки — устранение дефектов путем аккуратного нагрева и последующего охлаждения материала. За счет отжига решетка, наоборот, упорядочивает свою структуру.
«Получается, что при воздействии лазерных импульсов в масштабах одного материала сосуществуют два противоположных процесса. Но они разнесены пространственно: горение — разрушение — происходит на дефектах и границах графеновых листов — там, где атомы углерода наиболее химически активны. Отжиг же наблюдается преимущественно в центральных областях, в которых атомам выгодно вернуться в устойчивую конфигурацию», — комментирует Станислав Евлашин, ведущий научный сотрудник Центра технологии материалов Сколтеха.
Полученные результаты проливают свет на поведение оксида графена при экстремальных температурах — в области, где проведение прямого экспериментального анализа практически не представляется возможным. Понимание процессов, описанных в работе, может помочь в дальнейшем развитии и оптимизации методов получения высококачественного графена с большой площадью монокристаллов.
Атомистическое моделирование позволяет численно описывать и предсказывать поведение каждого отдельного атома в некотором, как правило, очень небольшом объеме вещества. С вычислительной точки зрения такие методы являются крайне ресурсоемкими и требуют использования высокопроизводительных машин, способных для решения одной задачи задействовать одновременно сотни, а порой и тысячи отдельных процессоров (суперкомпьютеров).