Создан простой метод производства высококачественного графена

Если при помощи «классических» скотча и графита почти невозможно получить пластинки более 100 мкм, то способ, представленный германскими материаловедами, позволяет управлять не только размерами, но и качеством пластинок, а также задавать необходимую кривизну их поверхности.

Графен, двумерный слой атомов углерода, имеющий кристаллическую структуру, обещает революционизировать такие принципиально важные области, как микроэлектроника и накопители энергии (и многое, многое другое). Но — лишь обещает.

Самособирающийся слой дифенилтиола на медной подложке превращается в графен посредством обстрела электронами и отжига. Такова суть процесса, подлежащего тонкой настройке с помощью регулирования температуры, от которой будет зависеть степень упорядоченности конечного продукта — графена. (Здесь и ниже иллюстрации Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.)

К сожалению, всё упирается в техпроцесс получения графена с максимальной подвижностью электронов (а это одно из самых ценных качеств этого материала). Пока он осуществляется жутковатым «дедовским» способом: вручную, с помощью скотча и пиролитического графита. Дороговизна такого графена объективно мешает его широкому внедрению. Но есть ещё одна проблема: даже если графен подешевеет, создавать из него сложные наноповерхности (а иначе никакой электроники!) может оказаться нетривиальный задачей, поскольку методов промышленной обработки материалов толщиной в один атом пока нет.

Но, кажется, дело начинает сдвигаться с мёртвой точки... Представлен способ, могущий обойти как дороговизну, так и сложность обработки графена. Его авторы — Андрей Турчанин с коллегами, представляющими университеты Билефельда и Ульма, а также Федеральное физико-техническое ведомство (все — Германия).

В противоположность альтернативной методике, использующей в качестве субстрата для выращивание графена слой карбида кремния, группа г-на Турчанина сделала ставку на ароматические соединения. Субстратом послужили монокристаллическая медь и недорогая поликристаллическая медная фольга. Самоорганизующиеся однослойные молекулы дифенилтиола (он же бифенилтиол), выбранного за исходную точку, обстреливались электронами малых энергий. Полученный полуфабрикат подвергался отжигу — нагреву с последующим медленным охлаждением. Этих сравнительно простых процессов оказалось достаточно, чтобы иметь графен с «предельно правильной структурой и подвижностью электронов», пригодный к использованию «во всех потенциальных приложениях». (Тут стоит напомнить, что графен, получаемый парофазовым осаждением или из карбида кремния, имеет существенные дефекты, которые снижают его качество по сравнению с лабораторным, изготавливаемым вручную.)

Более того, гибкость метода под названием «обстрел электронами» позволяет производить из графена самые разные структуры любой формы. Это могут быть как квантовые точки (перспективные источники света и элементы дисплеев), так и наноленты или любые другие наноустройства различных назначений, ранее невозможные из-за трудностей обработки однослойного графена, изготавливаемого традиционными способами.

Исходный самособирающийся дифенилтиол под микроскопом.

Саму упорядоченность структуры получаемого из дифенилтиола графена можно регулировать, повышая или понижая температуру, что до сих пор было недоступно для любого существующего техпроцесса.

Наконец, авторы полагают, что подобные операции выполнимы и на основе других ароматических соединений, что позволит допировать выращиваемые графеновые поверхности любыми нужными атомами или создавать двух- и многослойные материалы, свойства которых будут отличиться от однослойного, расширяя тем самым область применения графена. Ну а самоорганизация ароматических соединений может иметь место на поверхностях со значительной кривизной, что намекает на возможность создания на их основе сколь угодно изогнутых объектов.

С учётом вышеописанного вы вряд ли удивитесь тому, что материал об этом исследовании вынесен на обложку журнала Advanced Materials.

Графен, похоже, вышел из лабораторной колыбели и готов вступить во взрослую жизнь.

Подготовлено по материалам Федерального физико-технического ведомства. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.