• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
28.03.2022
Сколтех
7 076

Бездефектный кристалл графена получили из монооксида углерода при атмосферном давлении

4.7

Исследователи из Сколтеха, МФТИ, Института физики твердого тела, Университета Аалто и ряда других научных центров предложили первый метод синтеза графена, в котором в качестве источника углерода используется угарный газ — монооксид углерода. Новым методом можно сравнительно дешево получить на довольно простом оборудовании графен высокого качества, пригодный для электронных схем, газовых датчиков, оптики и других применений.

Снежинки, вытравленные на графене, в лаборатории Сколтеха. Светлые области — графен, темные — окисленная медь. Узор сформировался из-за вытравливания части графена углекислым газом в одном из экспериментов, когда оптимальное соотношение газов в камере еще не нашли / ©Артем Гребенко / Пресс-служба Сколтеха

Статья опубликована в престижном научном журнале Advanced Science. Осаждение из газовой фазы — стандартный подход к получению графена, материала с непревзойденными 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 все это происходит в вакуумной камере на медной подложке, а в качестве источника углерода используются углеводороды: метан, пропан, ацетилен, спирты и так далее.

«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 вперед 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», — подчеркивает соавтор статьи старший научный сотрудник Сколтеха Дмитрий Красников.

Важное преимущество предложенного учеными 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, стажер-исследователь Артем Гребенко из Сколтеха.

Поскольку риск возгорания устранен, 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, подчеркивает 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, ученые указывают на потенциал использования графена, не отделенного 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 придает 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 ученые из ВШЭ, ВНИИА имени Духова, Международного физического центра Доностии (Сан-Себастьяна), МИСиС, Свободного университета Берлина, Института исследований твердого тела и материалов имени Лейбница, Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологии, Института катализа СО РАН, МИФИ и Ратгерского университета. В Сколтехе также отметили работу, проведенную на источнике света BESSY II в Германии, как важную для исследования. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
3 февраля
Василий Парфенов

«Недостаточно комковатая» — так описал обнаруженную аномалию один из авторов нового исследования. В нем на основе наблюдений сразу двух обсерваторий, работающих с разными диапазонами излучений, удалось создать карту распределения материи во Вселенной с беспрецедентной точностью. Благодаря этому выяснилось, что стандартная модель — главная современная теория мироустройства, описывающая все частицы, поля и взаимодействия, кроме гравитации — имеет все шансы быть неполной.

Сегодня, 09:27
Ольга Иванова

Немецкие ученые проанализировали данные общенациональных исследований и пришли к выводу, что с марта 2022 года в больницах Германии с поразительной частотой наблюдаются случаи устойчивости к антибиотикам последней инстанции. Выяснилось, что неубиваемые патогены, по-видимому, принесли в страну украинские беженцы.

Позавчера, 13:41
Анна Новиковская

В черных дырах заключено множество тайн, и теперь астрономам удалось раскрыть одну из них: почему раскаленные диски вокруг них иногда мерцают.

2 февраля
НИУ ВШЭ

Изучая потребление алкоголя, экономисты и социологи обычно связывают его с условиями жизни людей и их человеческим капиталом: образованием, опытом работы, знаниями. Ученые из Лаборатории исследований рынка труда и Лаборатории экономико-социологических исследований НИУ ВШЭ обратили внимание на некогнитивные навыки, формирующиеся в детстве и подростковом возрасте, и выяснили, что эти качества во многом определяют вероятность злоупотребления спиртным и сокращают степень влияния образования.

3 февраля
Василий Парфенов

«Недостаточно комковатая» — так описал обнаруженную аномалию один из авторов нового исследования. В нем на основе наблюдений сразу двух обсерваторий, работающих с разными диапазонами излучений, удалось создать карту распределения материи во Вселенной с беспрецедентной точностью. Благодаря этому выяснилось, что стандартная модель — главная современная теория мироустройства, описывающая все частицы, поля и взаимодействия, кроме гравитации — имеет все шансы быть неполной.

31 января
ФизТех

Ученым из МФТИ и ОИВТ РАН удалось построить теоретическую модель для описания процесса роста оксидной пленки на поверхности стали в контакте с тяжелым жидкометаллическим расплавом свинец-висмут — теплоносителем, который может использоваться в реакторах нового поколения на быстрых нейтронах. Оксидная пленка — результат коррозии, но ее образование защищает от очень быстрой (жидкометаллической и межкристаллитной) коррозии. Понимание процесса коррозии стали в контакте с теплоносителем необходимо для обоснования безопасности эксплуатации подобных реакторов.

10 января
Алиса Гаджиева

Исследователи, изучающие систему обороны Великой стены, обнаружили следы более 130 секретных сквозных проходов и полагают, что это только начало.

25 января
Василий Парфенов

Пока фанаты SpaceX увлеченно следят за достижениями компании, астрономы грустно наблюдают, как их работа становится сложнее с каждым запуском спутников Starlink. Прогресс не проходит без жертв. Поэтому различные научные ассоциации ищут способы снизить негативное влияние множества новых рукотворных объектов в околоземном пространстве на качество данных, получаемых телескопами. Некоторые решения со стороны выглядят экстремальными — например, теперь лазеры для корректировки адаптивной оптики можно не выключать, если в поле зрения есть спутник Starlink. А это десятки ватт излучения!

9 января
Александр Березин

Избыточный вес убивает куда больше людей, чем войны с голодом вместе. До самых недавних пор это объясняли то «мусорным» фастудным питанием, то недостаточными физическими нагрузками. Научные работы показывают: эти гипотезы были неверны. За последние полвека сильно потолстели даже лабораторные животные, корм и нагрузки которых не менялись. Эпидемия лишнего веса действительно убийственна, но ее причина не в калориях или нехватке нагрузки. А в чем же? Naked Science исследует для вас этот вопрос.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: