29 марта 2022

Российские учёные получили бездефектный кристалл графена из монооксида углерода при атмосферном давлении

Снежинки, вытравленные на графене, в лаборатории Сколтеха. Светлые области — графен, тёмные — окисленная медь. Узор сформировался из-за вытравливания части графена углекислым газом в одном из экспериментов, когда ещё не было найдено оптимальное соотношение газов в камере. Фотография сделана не в рамках того исследования, что освящено в пресс-релизе

Исследователи из Сколтеха, МФТИ, Института физики твёрдого тела, Университета Аалто и ряда других научных центров предложили первый метод синтеза графена, в котором в качестве источника углерода используется угарный газ — монооксид углерода. В опубликованной в престижном научном журнале Advanced Science статье показано, что новым методом можно сравнительно дёшево получить на довольно простом оборудовании графен высокого качества, пригодный для электронных схем, газовых датчиков, оптики и других применений.

Осаждение из газовой фазы — стандартный подход к получению графена, материала с непревзойдёнными электронными и иными свойствами, который можно представить как сетку в форме шестиугольных сот толщиной в один атом углерода. В ходе синтеза атомы углерода отделяются от молекул некоторого газа и осаждаются на подложку одинарным слоем. Обычно всё это происходит в вакуумной камере на медной подложке, а в качестве источника углерода используются углеводороды: метан, пропан, ацетилен, спирты и т. д.

«Идея синтезировать графен из монооксида углерода существовала довольно давно, ведь этот газ активно используется для получения однослойных углеродных нанотрубок. Мы работаем с монооксидом углерода уже почти 20 лет. Но первые попытки получить графен были неудачными, и прошло много времени, прежде чем мы разобрались, как управлять образованием активных центров и ростом этого материала. Монооксид углерода хорош тем, что разложение его молекул происходит исключительно на поверхности катализатора, что позволило нам реализовать самоограничивающийся синтез крупных кристаллов однослойного графена при атмосферном давлении», — пояснил руководитель исследования, профессор Сколтеха Альберт Насибулин.

«Наш проект — одна из хороших иллюстраций того, как фундаментальные исследования двигают вперёд практически значимые технологии. Оптимизировать условия и добиться тем самым образования крупных кристаллов графена получилось именно благодаря пониманию глубинных кинетических механизмов формирования и роста графена, в основе — теория и эксперимент», — подчёркивает соавтор статьи старший научный сотрудник Сколтеха Дмитрий Красников.

Важное преимущество предложенного учёными из Сколтеха и их коллегами метода — так называемое самоограничение. При высокой температуре молекулы монооксида углерода, оказавшись вблизи медной подложки, раскалываются на атомы углерода и кислорода. Но над областями, где слой кристаллического углерода уже образовался и отделяет собой газ от подложки, такого не происходит, то есть синтез сам по себе ориентирован на формирование одинарного слоя. Осаждение углерода из метана — это тоже самоограничивающийся процесс, но в меньшей степени.

«У использованной нами системы несколько преимуществ. Графен получается чище, „кристалличнее“, и сам процесс быстрее. Кроме того, используя монооксид углерода, мы убираем риск взрыва и возгорания, поскольку ни водорода, ни других взрывоопасных газов в системе нет», — отмечает первый автор статьи, стажёр-исследователь Артём Гребенко из Сколтеха.

Поскольку риск возгорания устранён, нет нужды создавать вакуум. Оборудование работает при нормальном давлении и потому устроено значительно проще, чем обычная система для осаждения из газовой фазы. А это — экономия и денег, и времени. «Вы начинаете с куска меди, а уже через 30 минут достаёте из печи графен, — рассказывает Гребенко. — При этом наш аппарат собирается за тысячу долларов или меньше в условиях гаража».

Один из авторов исследования, профессор МФТИ Борис Горшунов, подчёркивает высокое качество материала: «Предлагая новый метод синтеза графена, вы каждый раз сталкиваетесь с необходимостью доказать, что ваш графен — что надо. Так вот, после тщательных испытаний мы можем с уверенностью сказать, что да, у нас высококачественный материал, который может соперничать с графеном, осаждаемым из других газов. Он кристаллический, чистый и получается кусками, достаточно крупными для использования в электронике».

Помимо стандартных применений графена в чистом виде, учёные указывают на потенциал использования графена, не отделённого от медной подложки. Дело в том, что у монооксида углерода очень высокая энергия адгезии к металлу по сравнению, например, с метаном. Это означает, что при осаждении графен не только защищает медный слой от химических реакций, но и придаёт ему особую структуру поверхности и тем самым отличные каталитические свойства. С некоторыми другими металлами, например рутением и палладием, ситуация обстоит похожим образом, то есть можно говорить о целом направлении исследований таких новых материалов с необычными поверхностями.

Помимо исследователей из Сколтеха, МФТИ, ИФТТ РАН и Университета Аалто, в работе приняли участие учёные из ВШЭ, ВНИИА им. Духова, Международного физического центра Доностии (Сан-Себастьяна), МИСиС, Свободного университета Берлина, Института исследований твёрдого тела и материалов им. Лейбница, Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологии, Института катализа СО РАН, МИФИ и Ратгерского университета. В Сколтехе также отметили работу, проведённую на источнике света BESSY II в Германии, как важную для исследования.