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.
