Ученые выяснили, что лазерное восстановление оксида графена протекает по фотохимическому пути, когда под действием света избирательно рвутся химические связи между углеродом и кислородом. Эти данные станут основой для создания дешевых, доступных и контролируемых методов получения восстановленного оксида графена, а также помогут внедрить его в промышленность и использовать, в частности, для хранения информации. Так, избирательно восстанавливая определенные участки материала, можно записывать невидимый невооруженным глазом рисунок и тем самым делать, например, метки для защиты от подделок. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nature Communications.
Лазеры, используемые для восстановления оксида графена и проведения измерений в работе. Источник фото: Евгения Шеремет
Восстановленный оксид графена — дешевый и перспективный материал для применения в электронике в качестве основы для датчиков, биосенсоров и энергонакопителей. В современной технологии существует довольно много методов его получения, но особенно интересна лазерная обработка оксида графена, поскольку она позволяет восстанавливать этот материал, следуя строго заданному рисунку. Однако до сих пор нет четкого представления о механизме такого восстановления, что существенно ограничивает возможность управлять этим процессом и в дальнейшем применять его в технологиях создания «умных материалов».
Сегодня ученые предлагают три возможных механизма восстановления. Согласно первому — фототермическому, — материал поглощает свет и нагревается, в результате чего кислородсодержащие группы удаляются, таким образом оксид восстанавливается. Согласно другой гипотезе, восстановление оксида графена проходит по фотохимическому механизму, когда свет напрямую избирательно разрывает химические связи между углеродом и кислородом. Третий вариант объединяет два предыдущих. Какой из механизмов реализуется при действии лазера в видимом диапазоне длин волн, оставалось загадкой.
Ученые из Томского политехнического университета (Томск) в сотрудничестве с коллегами из Горного университета Леобена (Австрия), Северо-западного политехнического университета (Китай) и Сычуаньского университета (Китай) определили механизм лазерного восстановления оксида графена в видимом диапазоне. В экспериментах авторы использовали стеклянные подложки, покрытые ультратонкой пленкой из оксида графена. Материал восстанавливали в течение одной минуты лазерами синего, зеленого и красного цветов с разной мощностью. В ходе обработки исследователи отслеживали, как меняется температура оксида под воздействием лазера.
Оказалось, что после облучения лазером оксид графена в процессе восстановления некоторое время светится красным светом. При этом интенсивность фотолюминесценции (свечения) оксида графена быстро падает, и это падение не коррелирует со степенью нагрева. Так, под действием красного лазера материал нагревался в разы сильнее, чем под действием синего, тогда как свечение, сопровождающее восстановление, в обоих образцах было одинаковым. Таким образом, восстановление оксида происходило при вызванных лазером повышениях температуры, недостаточных для фототермического восстановления. Это говорит в пользу фотохимического процесса, происходящего на поверхности оксида.
Учет фотохимического механизма при использовании щадящего лазерного излучения позволит управлять свойствами оксида графена без существенного нагрева. Так, например, это даст возможность использовать такие широко распространенные методы обработки материала, как фотолитография, а значит, применять материал в разнообразных микроэлектронных устройствах.
Исследователи заметили, что после восстановления лазером оксид графена теряет свою способность к фотолюминесцентному свечению. Такое необратимое подавление фотолюминесценции ученые предложили использовать для оптического хранения данных. Предполагаемый подход заключается в том, что лазером на оксид графена можно наносить уникальный «рисунок» из восстановленных областей. Получаемый узор, подобно двоичному коду, несет в себе информацию. При этом при определенной мощности лазерного излучения восстановленные области графеновой пленки визуально не отличаются от необлученных областей. Этот метод записи довольно безопасен, так как его распознавание требует точного знания характеристик оксида графена, а также использования соответствующих инструментов для считывания информации. Подобные подходы используются в технологиях защиты от подделок. Кроме того, разработанный метод позволяет записывать большие объемы информации на миниатюрных носителях и сохранять ее на долгое время.
«Элегантность нашей стратегии управления свечением оксида графена заключается в ее тонкости — тщательно выбирая мощность лазера, мы можем записывать данные на пленке оксида графена, которые не видны под оптическим микроскопом. Но гораздо важнее фундаментальное понимание механизмов, определяющих этот процесс. Такое понимание позволит предсказать поведение материала в различных условиях для разработки инновационных технологий», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгения Шеремет, PhD, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда