Графен называют «чудо-материалом XXI века». С момента открытия в 2004 году графен, представляющий собой один слой атомов углерода, получил множество уникальных свойств, среди которых сверхвысокая электропроводность и удивительная прочность на разрыв. Он способен изменить электронику, накопители энергии, датчики, биомедицинские устройства и многое другое. Но у графена был один недостаток: он был не очищен, сообщает научное издание EurekAlert!.
Инженеры Колумбийского университета и их коллеги из Монреальского университета разработали метод бескислородного химического осаждения из паровой фазы (OF-CVD), который позволяет создавать высококачественные образцы графена в промышленных масштабах. Их работа, опубликованная в журнале Nature, демонстрирует, как кислород влияет на скорость роста графена, и впервые выявляет связь между кислородом и качеством материала.
«Мы показали, что устранение практически всего кислорода из процесса роста является ключом к достижению воспроизводимого высококачественного синтеза графена методом CVD. Это важная веха на пути к крупномасштабному производству графена», – говорит старший автор работы Джеймс Хоун.
Графен исторически синтезировался одним из двух способов. Это метод «скотча», при котором отдельные слои отсоединяются от объемного образца графита (такого же материала, как грифель карандаша) с помощью бытовой ленты. Такие отшелушенные частицы могут быть достаточно чистыми и не содержать примесей, которые могли бы помешать графену проявить желаемые свойства. Однако они, как правило, слишком малы – всего несколько десятков микрометров в поперечнике – для применения в промышленных масштабах и поэтому больше подходят для лабораторных исследований.
Чтобы перейти от опытного к реальному использованию, около 15 лет назад ученые разработали метод синтеза графена большой площади. В этом процессе, известном как CVD-выращивание, углеродсодержащий газ, например, метан пропускается над медной поверхностью при достаточно высокой температуре (около 1000 °C), чтобы метан распался, а атомы углерода перестроились и образовали единый сотовидный слой графена. CVD-метод роста можно масштабировать и создавать образцы графена размером в сантиметры и даже метры. Однако, несмотря на многолетние усилия исследовательских групп по всему миру, образцы, синтезированные методом CVD, страдали от проблем с воспроизводимостью и переменным качеством.
Проблема заключалась в кислороде. Около шести лет назад ученый Кристофер ДиМарко разработал систему CVD-роста, в которой количество кислорода, вводимого в процессе осаждения, можно было тщательно контролировать.
Нынешние исследователи продолжили и усовершенствовали систему роста. Было обнаружено, что при устранении следов кислорода методом CVD происходит гораздо быстрее и каждый раз дает одинаковые результаты. Они также изучили кинетику бескислородного CVD-роста графена и обнаружили, что простая модель позволяет предсказать скорость роста по ряду параметров, включая давление газа и температуру.
Качество образцов, выращенных новым методом, оказалось практически идентичным качеству эксфолиированного графена, который продемонстрировал поразительные доказательства дробного квантового эффекта Холла под действием магнитных полей – квантового явления, которое ранее наблюдалось только в сверхвысококачественных двумерных электрических системах.
Далее команда планирует разработать метод чистого переноса высококачественного графена с металлического катализатора роста на другие функциональные подложки, такие как кремний, – последний кусочек головоломки, чтобы в полной мере использовать преимущества этого чудо-материала.
«Мы увлеклись графеном и его потенциалом еще на старших курсах, провели бесчисленное количество экспериментов и синтезировали тысячи образцов за четыре года работы в аспирантуре. Увидеть, что это исследование наконец-то воплотилось в жизнь, – просто мечта», – заключили исследователи.
[Фото: Jacob Amontree & Christian Cupo, Columbia University]