Материалът-чудо на века се” отглежда” най-добре чрез безкислородно химическо отлагане на пари (снимка: CC0 Public Domain)
Графенът е наричан „чудният материал на 21 век“. От откриването си през 2004 г. материалът – по същество единичен слой от въглеродни атоми – е възхваляван заради множеството си уникални свойства. Сред тях са ултрависока електрическа проводимост и забележителна якост на опън. Той има потенциал да трансформира електрониката, съхранението на енергия, сензорите, биомедицинските устройства и др.
Сега инженери от Колумбийския университет и техни колеги от Университета на Монреал и Националния институт за стандарти и технологии са намерили начин за по-добро „отглеждане“ на графен, което може да облекчи производството му в голям мащаб. Става дума за безкислородно химическо отлагане на пари (БК-ХОП). Това може да създаде висококачествени графенови проби в голям мащаб.
Анализът бе публикуван на 29 май в Nature и демонстрира как следите от кислород влияят на скоростта на „растеж“ на графена, като за първи път идентифицира връзката между кислорода и качеството на графена.
„Елиминирането на почти всичкия кислород от процеса на „отглеждане“ е ключът към постигането на възпроизводим, висококачествен ХОП синтез на графен“, каза старшият автор Джеймс Хоун, професор по машинно инженерство в Columbia Engineering. „Това е крайъгълен камък за широкомащабното производство на графен“.
Два начина за синтез
В исторически план графенът обичайно се синтезира по два начина. Единият е методът на „скоч лента“. При него отделни слоеве се отлепват от масивна проба графит с помощта на домакинско тиксо. Такива проби могат да бъдат доста чисти и без примеси, които иначе биха попречили на желаните свойства на графена. Пробите обаче са твърде малки – само няколко десетки микрометра. Това ги прави неприложими за индустриални приложения.
Другият метод е за синтезиране на графен с голяма площ – процес, известен като ХОП растеж. При него се пропуска газ, съдържащ въглерод, като например метан, върху медна повърхност при достатъчно висока температура (около 1000°C), за да се разпадне метанът и въглеродните атоми да се пренаредят, за да образуват еднослойна „пчелна пита“. Така се образува слоят графен.
Растежът на ХОП може да бъде мащабиран, за да се създадат проби графен с размер от сантиметри или дори метри. Въпреки годините усилия от страна на изследователски групи по света, синтезираните от ХОП проби страдат от проблеми с възпроизводимостта и променливото качество.
Проблемът е в кислорода
В някои по-ранни изследвания съавторите Ричард Мартел и Пиер Левеск от Монреал показаха, че „следите“ от кислород могат да забавят процеса на растеж и дори да изличат графена. Преди около шест години друг учен на име Кристофър ДиМарко проектира и изгради ХОП система за „отглеждане“ на графен, в която количеството кислород, въведено по време на процеса на отлагане, може да бъде внимателно контролирано.
Най-новото откритие допълнително подобрява системата за „отлеждане“. Учените са установили, че когато се елиминират „следите“ от кислород, ХОП процесът е много по-бърз и дава еднакви резултати всеки път. Освен това качеството се оказва високо – почти идентично с това на „ексфолирания“ графен, добит по първия от класическите методи.
Оттук нататък екипът планира да разработи метод за чисто прехвърляне на висококачествения графен от катализатора за растеж към други функционални субстрати като силиций.