Графен научились получать из угарного газа

Исследователи из Сколтеха, МФТИ, Института физики твёрдого тела, Университета Аалто и ряда других научных центров впервые предложили метод синтеза графена, в котором в качестве источника углерода используется угарный газ — монооксид углерода, сообщает пресс-служба Сколтеха. В опубликованной в журнале Advanced Science статье показано, что новым методом можно сравнительно дешево 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.

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, стажер-исследователь Артём 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. «Вы начинаете с куска меди, а уже через 30 минут достаете из печи графен, — рассказывает Артём Гребенко. — При этом наш аппарат собирается за тысячу долларов или меньше в условиях гаража».

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.