Простой способ получения высококачественного графена: две секунды в микроволновой печи. Графен и его применение

Высокие технологии в домашних условиях. Лауреат Нобелевской премии Константин Новоселов рассказал, как можно самому из подручных материалов изготовить графен. В мире науки он произвел настоящий фурор, и в будущем его можно будет использовать во всех сферах - от приготовления еды до полетов в космос.

Построить сцену для Нобелевского лауреата – это, конечно, не графен изобрести. Экран для показа фото- и видеослайдов собрали всего за несколько минут. Каркас, крепления и вот она, магия минимализма. Оборудование для рассказа о самом громком научном открытии последнего времени Константин Новоселов привез с собой в обычном рюкзаке.

Внутри оказался ноутбук. Лауреат Нобелевской премии по физике привык путешествовать налегке. Первый вопрос из зала – и сразу будоражащий фантазию ответ. Оказывается, получить материал, которому прочат грандиозное будущее, может практически каждый.

"Все, что вам нужно, это купить хороший графит. В принципе, можно пользоваться и карандашами, но лучше купить хороший графит. Вы потратите 100 долларов на это. Вы должны потратить долларов 20 на кремниевые подложки, 1 доллар на скотч. Вот за 121 доллар, я вам обещаю, что вы научитесь делать изумительный графен", - рассказал ученый.

Не случайно про это открытие в мире науки сразу сказали: все гениальное просто. Материал на основе графита может произвести настоящую революцию в электронике. Мы уже привыкли, что современные гаджеты – это и мобильный телефон, и компьютер, и фотокамера в одном устройстве. С графеном эти приборы станут намного тоньше, да к тому же еще прозрачными и гибкими. Благодаря уникальным особенностям материи такой аппарат и уронить не страшно.

"У него очень интересные электронные свойства. Его можно использовать для транзисторов. И, в частности, многие компании пытаются изготовить высокоскоростные транзисторы из этого материала, чтобы использовать, например, в мобильной связи", - пояснил нобелевский лауреат.

В перспективе, как утверждают специалисты, этот материал сможет полностью заменить во всех электронных приборах постепенно устаревающий кремний. Пока такая техника кажется чудом. Впрочем, еще совсем недавно такое же удивление вызывали, например, жидкокристаллические телевизоры или Интернет. Кстати, Всемирная компьютерная сеть с использованием графена станет в десятки раз быстрее. В биологии вместе с новым материалом появятся прогрессивные технологии расшифровки химической структуры ДНК. Использование сверхлегкого и высокопрочного графена найдет применение в авиации и при строительстве космических кораблей.

"Материал, который самый тонкий, самый прочный, самый проводящий. Самый непроницаемый, самый эластичный. В общем, самый-самый, это и будет графен", - подчеркнул Новоселов.

Вручение Нобелевской премии по физике за передовые опыты с графеном состоялось в 2010 году. Это первый случай, когда материал, ставший продуктом научных исследований, так быстро перебирается из академических лабораторий в индустриальное производство. В России интерес к разработкам Константина Новоселова исключительный. Площадка фестиваля "Букмаркет" и Парка Горького открыта для всех желающих. А прохладная погода и дождь для настоящей науки не помеха.

Графен относится к классу уникальных углеродистых соединений, обладающих замечательными химическими и физическими свойствами, такими как прекрасная электропроводность, которая сочетается с удивительной лёгкостью и прочностью.

Предполагается, что со временем он сможет заменить кремний, который является основой современного полупроводникового производства. В настоящее время за этим соединением надёжно закрепился статус «материала будущего».

Особенности материала

Графен, чаще всего встречающийся под обозначением «G», – это двумерная разновидность углерода, имеющая необычную структуру в виде соединённых в гексагональную решетку атомов. При этом общая её толщина не превышает размеров каждого из них.

Для более чёткого понимания, что такое графен, желательно ознакомиться с такими его уникальными характеристиками, как:

Рекордно высокий показатель теплопроводности;
Высокие механическая прочность и гибкость материала, в сотни раз превосходящие тот же показатель для стальных изделий;
Ни с чем несравнимая электропроводимость;
Высокая температура плавления (более 3 тысяч градусов);
Непроницаемость и прозрачность.

О необычности структуры графена свидетельствует такой простой факт: при объединении 3-х миллионов листовых заготовок графена суммарная толщина готового изделия будет не более 1 мм.

Для понимания уникальных свойств этого необычного материала достаточно отметить, что по своему происхождению он схож с обычным слоистым графитом, применяемым в грифеле карандаша. Однако, благодаря особому расположению атомов в гексагональной решётке, его структура приобретает характеристики, присущие такому твёрдому материалу, как алмаз.

При выделении графена из графита в образующейся при этом плёнке толщиной в атом наблюдаются его наиболее «чудесные» свойства, характерные для современных 2D-материалов. Сегодня трудно отыскать такую область народного хозяйства, где бы ни применялось это уникальное соединение, и где оно ни рассматривалось бы в качестве перспективного. Особо это проявляется в области научных разработок, ставящих своей целью освоение новых технологий.

Способы получения

Открытие этого материала может быть датировано 2004 годом, после чего учёными были освоены различные методы его получения, которые представлены ниже:

Химическое охлаждение, реализуемое методом фазовых преобразований (его называют CVD-процессом);
Так называемое «эпитаксиальное выращивание», осуществляемое в условиях вакуума;
Метод «механической эксфолиации».

Рассмотрим каждый из них более подробно.

Механический

Начнём с последнего из этих способов, считающегося наиболее доступным для самостоятельного исполнения. Для того чтобы получить графен в домашних условиях, необходимо последовательно произвести следующий ряд операций:

Сначала нужно подготовить тонкую графитовую пластину, которая затем крепится на клеящейся стороне специальной ленты;
После этого она складывается вдвое, а затем снова возвращается в исходное состояние (её концы разводятся);
В результате таких манипуляций на клеящей стороне ленты удаётся получить двойной слой графита;
Если проделать эту операцию несколько раз, несложно будет добиться малой толщины нанесённого слоя материала;
После этого скотч с расщеплёнными и очень тонкими плёнками прикладывается к подложке из окисла кремния;
Вследствие этого плёнка частично остаётся на подложке, образуя графеновую прослойку.

Недостатком этого метода является сложность получения достаточно тонкой плёнки заданного размера и формы, которая бы надёжно фиксировались на отведённых для этого частях подложки.

В настоящее время большая часть используемого в повседневной практике графена производится именно таким образом. За счёт механической эксфолиации удаётся получить соединение довольно высокого качества, но для условий массового производства данный метод совершенно не годится.

Промышленные методы

Одним из промышленных способов получения графена является выращивание его в вакууме, особенности которого можно представить следующим образом:

Для его изготовления берётся поверхностный слой карбида кремния, всегда имеющийся на поверхностях этого материала;
Затем заранее подготовленная кремниевая пластина нагревается до сравнительно высокой температуры (порядка 1000 К);
За счёт происходящих при этом химических реакций наблюдается разделение атомов кремния и углерода, при котором первые из них тут же испаряются;
В результате такой реакции на пластинке остается чистый графен (G).

К недостаткам этого метода можно отнести необходимость высокотемпературного нагрева, с обеспечением которого нередко возникают трудности технического характера.

Наиболее надежным промышленным способом, позволяющим избежать описанных выше сложностей, является так называемый «CVD-процесс». При его реализации происходит химическая реакция, протекающая на поверхности металлического катализатора при его соединении с газами углеводорода.

В результате всех рассмотренных выше подходов удаётся получать чистые аллотропные соединения двумерного углерода в виде слоя толщиной всего лишь в один атом. Особенностью такого образования является соединение этих атомов в гексагональную решетку за счёт образования так называемых «σ» и «π»-связей.

Носители электрического заряда в решётке графена отличаются высокой степенью подвижности, значительно превышающей этот показатель для других известных полупроводниковых материалов. Именно по этой причине он способен прийти на смену классическому кремнию, традиционно используемому при производстве интегральных микросхем.

Возможности практического применения материалов на основе графена напрямую связаны с особенностями его производства. В настоящее время практикуется множество методов получения отдельных его фрагментов, различающихся по форме, качеству и размерам.

Среди всех известных способов особенно выделяются следующие подходы:

Изготовление разновидности оксида графена в виде хлопьев, применяемой при производстве электропроводящих красок, а также различных сортов композитных материалов;
Получение плоского графена G, из которого делаются компоненты электронных устройств;
Выращивание материала того же типа, применяемого в качестве неактивных компонентов.

Основные свойства этого соединения и его функциональность определяются качеством подложки, а также особенностями того материала, с помощью которого он выращивается. Всё это, в конечном счёте, зависит от используемого метода его производства.

В зависимости от способа получения этого уникального материала, он может применяться для самых различных целей, а именно:

Графен, полученный путём механического отслаивания, в основном, предназначается для исследований, что объясняется невысокой подвижностью носителей свободного заряда;
При получении графена методом химической (термической) реакции он чаще всего используется для создания композитных материалов, а также защитных покрытий, чернил, красителей. Подвижность свободных носителей у него несколько больше, что позволяет применять его для изготовления конденсаторов и плёночных изоляторов;
В случае использования для получения этого соединения метода CVD он может применяться в нано электронике, а также для изготовления сенсоров и прозрачных гибких плёнок;
Графен, полученный методом «кремниевых пластинок», идёт на изготовление таких элементов электронных устройств, как ВЧ-транзисторы и подобные им комплектующие. Подвижность свободных носителей заряда в таких соединениях максимальна.

Перечисленные особенности графена открывают для производителей широкие горизонты и позволяют сконцентрировать усилия по его внедрению в следующие перспективные области:

В альтернативные направления современной электроники, связанные с заменой кремниевых составляющих;
В ведущие химические отрасли производства;
При конструировании уникальных изделий (таких, например, как композитные материалы и графеновые мембраны);
В электротехнике и электронике (в качестве «идеального» проводника).

Помимо этого, на основе этого соединения могут изготавливаться холодные катоды, аккумуляторные батареи, а также специальные проводящие электроды и прозрачные плёночные покрытия. Уникальные свойства этого наноматериала обеспечивают ему большой запас возможностей для его использования в перспективных разработках.

Достоинства и недостатки

Достоинства изделий на основе графена:

Высокая степень электропроводности, сравнимая с тем же показателем для обычной меди;
Почти идеальная оптическая чистота, благодаря которой он поглощает не более двух процентов видимого светового диапазона. Поэтому со стороны он кажется практически бесцветным и невидимым для наблюдателя;
Механическая прочность, превосходящая алмаз;
Гибкость, по показателю которой однослойный графен превосходит эластичную резину. Это его качество позволяет легко изменять форму плёнок и растягивать их при необходимости;
Стойкость к внешним механическим воздействиям;
Ни с чем несравнимая теплопроводность, по показателю которой он в десятки раз превосходит ту же медь.

К недостаткам этого уникального углеродистого соединения относят:

Невозможность получения в достаточных для промышленного производства объёмах, а также достижения требуемых для обеспечения высокого качества физико-химических свойств. На практике удаётся получать лишь незначительные по габаритам листовые фрагменты графена;
Изделия промышленного изготовления чаще всего уступают по своим характеристикам образцам, полученным в исследовательских лабораториях. Достичь их с помощью рядовых промышленных технологий не удается;
Высокие нетрудовые затраты, существенно ограничивающие возможности его производства и практического применения.

Несмотря на все перечисленные сложности, исследователи не оставляют попыток освоения новых технологий производства графена.

В заключение следует констатировать, что перспективы у этого материала просто фантастические, поскольку он также может применяться при производстве современных ультратонких и гибких гаджетов. Кроме того, на его основе возможно создание современного медицинского оборудования и препаратов, позволяющих бороться с раком и другими распространёнными опухолевыми заболеваниями.

Видео

Волокна графена под сканирующим электронным микроскопом. Чистый графен восстановлен из оксида графена (GO) в микроволновой печи. Масштаб 40 мкм (слева) и 10 мкм (справа). Фото: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University

Графен - 2D-модификация углерода, образованная слоем толщиной в один атом углерода. Материал обладает высокой прочностью, высокой теплопроводностью и уникальными физико-химическими свойствами. Он демонстрирует максимальную подвижность электронов среди всех известных материалов на Земле. Это делает графен практически идеальным материалом в самых различных приложениях, в том числе в электронике, катализаторах, элементах питания, композитных материалах и т.д. Дело за малым - научиться получать качественные слои графена в промышленных масштабах.

Химики из Ратгерского университета (США) нашли простой и быстрый метод производства высококачественного графена путём обработки оксида графена в обычной микроволновой печи . Метод на удивление примитивный и эффективный.

Оксид графита - соединение углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется при обработке графита сильными окислителями. Чтобы избавиться от оставшегося кислорода в оксиде графита, а затем получить чистый графен в двумерных листах, нужно приложить значительные усилия.

Оксид графита смешивают с сильными щелочами и ещё дальше восстанавливают материал. В результате получаются мономолекулярные листы с остатками кислорода. Эти листы принято называть оксидом графена (GO). Химики испробовали разные способы удаления лишнего кислорода из GO ( , , , ), но восстановленный такими способами GO (rGO) остаётся сильно неупорядоченным материалом, который далёк по своим свойствам от настоящего чистого графена, полученного методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ или CVD).

Даже в неупорядоченной форме rGO потенциально может быть полезен для энергоносителей ( , , , , ) и катализаторов ( , , , ), но для извлечения максимальной выгоды от уникальных свойств графена в электронике нужно научиться получать чистый качественный графен из GO.

Химики из Ратгерского университета предлагают простой и быстрый способ восстановления GO до чистого графена, используя 1-2-секундные импульсы микроволнового излучения. Как видно на графиках, графен, полученный «микроволновым восстановлением» (MW-rGO) по своим свойствам намного ближе к чистейшему графену, полученному с помощью ХОГФ.

Физические характеристики MW-rGO, по сравнению с нетронутым оксидом графена GO, восстановленным оксидом графена rGO и графеном, полученным методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Показаны типичные хлопья GO, осаждённые на кремниевую подложку (А); рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (B); рамановская спектроскопия и соотношение размера кристаллов (L a) к отношению пиков l 2D /l G в рамановском спектре для MW-rGO, GO и ХОГФ (CVD).

Электронные и электрокаталитические свойства MW-rGO, по сравнению с rGO. Иллюстрации: Rutgers University

Техпроцесс получения MW-rGO состоит из нескольких этапов.

Окисление графита модифицированным методом Хаммерса и растворение его до однослойных хлопьев оксида графена в воде.
Отжиг GO, чтобы материал стал более восприимчив к микроволновому облучению.
Облучение хлопьев GO в обычной микроволновой печи мощностью 1000 Вт на 1-2 секунды. Во время этой процедуры GO быстро нагревается до высокой температуры, происходит десорбция кислородных групп и великолепная структуризация углеродной решётки.

Съёмка просвечивающим электронным микроскопом показывает, что после обработки СВЧ-излучателем образуется высокоупорядоченная структура, в которой кислородные функциональные группы практически полностью уничтожены.

На изображениях с просвечивающего электронного микроскопа показана структура листов графена со шкалой 1 нм. Слева - однослойный rGO, на котором много дефектов, в том числе функциональные группы кислорода (синяя стрелка) и дыры в углеродном слое (красная стрелка). По центру и справа - отлично структурированный двуслойный и трёхслойный MW-rGO. Фото: Rutgers University

Великолепные структурные свойства MW-rGO при использовании в полевых транзисторах позволяют увеличить максимальную подвижность электронов примерно до 1500 см 2 /В·с, что сравнимо с выдающимися характеристиками современных транзисторов с высокой подвижностью электронов.

Кроме электроники, MW-rGO пригодится в производстве катализаторов: он показал исключительно маленькое значение коэффициента Тафеля при использовании в качестве катализатора при реакции выделения кислорода: примерно 38 мВ на декаду. Катализатор на MW-rGO также сохранил стабильность в реакции выделения водорода, которая продолжалась более 100 часов.

Всё это предполагает отличный потенциал для использования восстановленного в микроволновом излучении графена в промышленности.

Научная статья "High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide" опубликована 1 сентября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aah3398).

Электронные и электрокаталитические свойства MW-rGO, по сравнению с rGO. Иллюстрации: Rutgers University

Техпроцесс получения MW-rGO состоит из нескольких этапов.

Окисление графита модифицированным методом Хаммерса и растворение его до однослойных хлопьев оксида графена в воде.
Отжиг GO, чтобы материал стал более восприимчив к микроволновому облучению.
Облучение хлопьев GO в обычной микроволновой печи мощностью 1000 Вт на 1-2 секунды. Во время этой процедуры GO быстро нагревается до высокой температуры, происходит десорбция кислородных групп и великолепная структуризация углеродной решётки.

Графен - революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения.

Графен был найден Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера, за что русские ученые были удостоены Нобелевской премии. На сегодняшний день на исследование свойств графена выделено около десяти миллиардов долларов на десять лет, и ходят слухи, что он может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности.

Однако двухмерная структура наподобие этого углеродсодержащего материала была предсказана и для других элементов Периодической системы химических элементов и весьма необычные свойства одного из таких веществ недавно удалось изучить. А называется это вещество «синий фосфор».

Выходцы из России, работающие в Британии, Константин Новоселов и Андрей Гейм создали графен – полупрозрачный слой углерода толщиной в один атом – в 2004 году. С этого момента практически сразу и повсюду мы стали слышать хвалебные оды о самых разных удивительных свойствах материала, обладающего потенциалом изменить наш мир и найти свое применение в самых разных сферах, начиная от производства квантовых компьютеров и заканчивая производством фильтрами для получения чистой питьевой воды. Прошло 15 лет, но мир под влиянием графена так и не изменился. Почему?

Все современные электронные устройства используют для передачи информации электроны. Сейчас вовсю идет разработка квантовых компьютеров, которые многие считают будущей заменой традиционных устройств. Однако есть и еще один, при этом не менее интересный путь развития. Создание, так называемых, фотонных компьютеров. И недавно группа исследователей из Университета Эксетера () обнаружила свойство частицы, которое может помочь в разработке новых компьютерных схем.