Простой способ получения высококачественного графена: две секунды в микроволновой печи. Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др Способы получения графена в домашних условиях
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.
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.
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).
Графен всё более притягателен для исследователей. Если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, то за первые 8 месяцев 2008 года - уже 801 публикация. Каковы же наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур и технологий?
На сегодняшний день графен (рис. 1) - самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода. Он вошел в учебники по физике и в нашу реальность в 2004 году, когда исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов сумели его получить, используя обычную ленту-скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита, знакомого нам в виде карандашного стержня (см. Приложение). Замечателен тот факт, что графеновый лист, помещенный на подложку из оксидированного кремния, можно рассмотреть в хороший оптический микроскоп. И это при его толщине всего в несколько ангстрем (1Å = 10 –10 м)!
Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими , электрическими, механическими и термическими свойствами. Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми (рис. 2).
Несмотря на то что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может обеспечить наикратчайший путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим широко используемым химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако при получении графена химическими методами есть некоторые трудности, которые должны быть преодолены: во-первых, необходимо достигнуть полного расслоения графита, помещенного в раствор; во-вторых, сделать так, чтобы отслоенный графен в растворе сохранял форму листа, а не сворачивался и не слипался.
На днях в престижном журнале Nature были опубликованы две статьи независимо работающих научных групп, в которых авторам удалось преодолеть вышеназванные трудности и получить графеновые листы хорошего качества, подвешенные в растворе.
Первая группа ученных - из Стэнфордского университета (Калифорния, США) и (Китай) - внедряла серную и азотную кислоты между слоями графита (процесс интеркаляции; см. Graphite intercalation compound), и затем быстро нагревала образец до 1000°C (рис. 3a). Взрывное испарение молекул-интеркалянтов производит тонкие (толщиной в несколько нанометров) графитовые «хлопья», которые содержат множество графеновых слоев. После этого в пространство между графеновыми слоями химически внедряли два вещества - олеум и гидроокись тетрабутиламмония (ГТБА) (рис. 3b). Обработанный ультразвуком раствор содержал как графит, так и графеновые листы (рис. 3c). После этого методом центрифугирования проводили отделение графена (рис. 3d).
В тоже время вторая группа ученых - из Дублина , Оксфорда и Кембриджа - предложила другую методику для получения графена из многослойного графита - без использования интеркалянтов. Главное, по словам авторов статьи, использовать «правильные» органические растворители, такие как N-метил-пирролидон . Для получения высококачественного графена важно подобрать такие растворители, чтобы энергия поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном была такой же, как для системы графен–графен. На рис. 4 показаны результаты пошагового получения графена.
Успех обоих экспериментов основан на нахождении правильных интеркалянтов и/или растворителей. Конечно, существуют и другие методики для получения графена, такие как преобразование графита в оксид графита. В них используется подход, называемый «оксидирование–расслоение–восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит становится гидрофильным (или попросту влаголюбивым) и может легко расслаиваться на отдельные графеновые листы под действие ультразвука, находясь в водяном растворе. Полученный графен обладает замечательными механическими и оптическими характеристиками, но его электрическая проводимость на несколько порядков ниже, чем проводимость графена, полученного при помощи «скотч-метода» (см. Приложение). Соответственно, такой графен вряд ли сможет найти применение в электронике.
Как оказалось, графен, который был получен в результате двух вышеобозначенных методик, более высокого качества (содержит меньшее количество дефектов в решетке) и, как результат, обладает более высокой проводимостью.
Очень кстати пришлось еще одно достижение исследователей из Калифорнии , которые недавно сообщили о высокоразрешающей (разрешение до 1Å) электронной микроскопии с низкой энергией электронов (80 кВ) для прямого наблюдения за отдельными атомами и дефектами в кристаллической решетке графена. Ученым впервые в мире удалось получить изображения атомной структуры графена высокой четкости (рис. 5), на которых можно своими глазами увидеть сеточную структуру графена.
Еще дальше ушли исследователи из Корнелловского университета . Из листа графена им удалось создать мембрану толщиной всего в один атом углерода, и надуть ее, как воздушный шарик. Такая мембрана оказалась достаточно прочной для того, чтобы выдерживать давление газа в несколько атмосфер. Эксперимент состоял в следующем. На подложку из оксидированного кремния с предварительно вытравленными ячейками были помещены листы графена, которые вследствие ван-дер-ваальсовых сил плотно прикрепились к поверхности кремния (рис. 6a). Таким образом были образованы микрокамеры, в которых можно было удерживать газ. После этого ученые создавали разность давлений внутри и снаружи камеры (рис. 6b). Используя атомно-силовой микроскоп , измеряющий величину отклоняющей силы, которую кантилевер с иглой чувствует при сканировании мембраны на высоте всего нескольких нанометров от ее поверхности, исследователям удалось наблюдать степень вогнутости-выгнутости мембраны (рис. 6c–e) при изменении давления до нескольких атмосфер.
После этого мембрана была использована в роли миниатюрного барабана для измерения частоты ее вибраций при изменении давления. Было установлено, что гелий остается в микрокамере даже при высоком давлении. Однако поскольку графен, использованный в эксперименте, был не идеален (имел дефекты кристаллической структуры), то газ понемногу просачивался через мембрану. В течение всего эксперимента, который продолжался более 70 часов, наблюдалось неуклонное уменьшение натяжения мембраны (рис. 6e).
Авторы исследования указывают, что подобные мембраны могут иметь самые разнообразные применения - например, использоваться для изучения биологических материалов, помещенных в раствор. Для этого будет достаточно накрыть такой материал графеном и изучать его сквозь прозрачную мембрану микроскопом, не опасаясь за утечку или испарение раствора, поддерживающего жизнедеятельность организма. Также можно сделать проколы атомного размера в мембране и затем наблюдать, изучая диффузионные процессы, как отдельные атомы или ионы проходят сквозь отверстие. Но самое главное - исследование ученых из Корнелловского университета еще на шаг приблизило науку к созданию одноатомных сенсоров.
Стремительный рост количества исследований на графене показывает, что это действительно очень перспективный материал для широкого круга применений, но до воплощения их в жизнь еще следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.
Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets (доступен полный текст) // NanoLetters . V. 8. No. 8. P. 2458–2462 (2008).
Александр Самардак
Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.
Другие формы углерода: графен, усиленный – арматурный графен , карбин, алмаз, фуллерен, углеродные нанотрубки, “вискерсы” .
Описание графена:
Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp 2 -связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, ткань .
Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит , известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки . Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.
На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).
Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах.
Свойства и преимущества графена:
– графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали . Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,
– благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,
– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,
– графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния . Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с.
– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы ,
– обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди ,
– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света,
– графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,
– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,
– инертность к окружающей среде,
– впитывает радиоактивные отходы,
– благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,
– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур.
Физические свойства графена*:
* при комнатной температуре.
Получение графена:
Основными способами получения графена считаются:
– микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова – метод скотча). Образец графита помещали между лентами скотча и последовательно отшелушивали слои, пока не остался последний тонкий слой, состоящий из графена,
– диспергирование графита в водных средах,
– механическая эксфолиация;
– эпитаксиальный рост в вакууме;
– химическое парофазное охлаждение (CVD-процесс),
– метод “выпотевания” углерода из растворов в металлах или при разложении карбидов.
Получение графена в домашних условиях:
Необходимо взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт. В чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля от карандаша. Далее блендер должен поработать от 10 минут до получаса вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.