Ученые создали новый метод выращивания тонких пленок германия

Ученые из РФ и США разработали методику превращения графена в наноалмазные пленки

Ученые НИТУ «МИСиС» и американские материаловеды разработали методику, позволяющую превращать многослойный графен в тончайшую наноалмазную пленку. Результаты исследования представлены в статью в международном научном журнале Small.

Алмаз – материал, не нуждающийся в представлении, очень востребован и в ювелирной области, и в качестве технологически важных твердых покрытий, как широкозонный полупроводник для электроники, а также источник однофотонной эмиссии для будущих квантовых компьютеров.

Для всего вышеперечисленного, за исключением, возможно, ювелирных изделий, более перспективным с технологической точки зрения является алмаз в виде сверхтонких плёнок, что и побуждает научное сообщество к попытке создания подобной структуры.

“С уменьшением толщины технология синтеза алмазных плёнок усложняется. Традиционные методики выращивания алмаза толщиной в несколько атомарных слоёв не применимы и нами был предложен новый подход, позволяющий использовать многослойный графен как основу для их получения”, — сообщил ведущий научный сотрудник НИТУ “МИСиС”, д.ф.-м.н. Павел Сорокин.

Графен представляет собой двумерный слой атомов углерода, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. Нобелевская премия 2010 года по физике была присуждена Константину Новоселову и Андрею Гейму, выходцам из России, работающим в Великобритании, за получение и изучение первых образцов графена.

Шесть лет назад П.Б. Сорокин (Россия), Б.И. Якобсон (США) и их коллеги показали, что слои графена, уложенных друг на друга, можно в теории превратить в так называемый диаман, двумерный аналог алмаза, который будет оставаться стабильным при нормальном давлении и комнатной температуре.

Эта теоретическая работа, как отметил ученый, привлекла внимание со стороны многих ведущих физиков-экспериментаторов, попытавшихся реализовать их идею на практике.

“В разработанной теории было предсказано, что осаждение атомов водорода может позволить сформировать плёнки с числом слоёв до 30. Однако до сих пор экспериментально наблюдалось формирование алмазоподобной плёнки только из двухслойного графена. Очевидно, что теория требовала дополнения, которое учтёт возможные нуклеационные барьеры и объяснит расхождение с экспериментальными данными. Мы работали над этой проблемой вместе с нашими американскими коллегами более пяти лет.”, — пояснил Сорокин.

Ведущий научный сотрудник НИТУ “МИСиС”, д.ф.-м.н. Павел Сорокин

Как отметил ученый, формированию алмаза препятствует возникновения сильных механических напряжений в структуре многослойного графена при осаждении на его поверхность атомов водорода или фтора. Это приводит к быстрому росту барьера нуклеации алмаза с увеличением числа слоёв в плёнке.

Проф. Борис Якобсон (США) сообщает: “мы показали, что осаждение сторонних атомов легко приводит к соединению только двух слоёв графена, а для более толстых пленок все же нужно прикладывать небольшое и всего лишь локальное давление для облегчения процесса алмазообразования, вполне достижимое в лабораторных условиях. Кроме того, требуется особым образом расположить слои графена”.

Теоретические результаты хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными, а предложенный подход как отмечают ученые, не имеет каких-то принципиальных ограничений на практике и вполне может применяться в промышленном производстве после решения всех сопутствующих инженерно-технических проблем.

Сергей Ерохин, один из авторов статьи, отмечает: “Важно то, что наша новая теория показывает, что подобным методом можно получить не просто нанопленки из кубического алмаза, а лонсдейлит, алмаз с гексагональной кристаллической решёткой. Такие лонсдейлитовые пленки еще не создавались ранее и наблюдались только как дефект в структуре алмаза”.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Камуфляж-невидимка и цифровая ткань: 10 реальных материалов «из будущего»

Material science — это наука, которая изучает материалы. Ученые ищут способы улучшить существующие материалы или разработать новые, исследуют их свойства и структуру. Открытия нередко поражают воображение даже самых преданных любителей фантастики.

«Броня» для транспорта

Ученые Пермского и Томского политехнических университетов совместно разработали сверхпрочный литой стеклокристаллический материал. В его основе — оксиды кремния, магния, алюминия, титана и марганца. При взрыве новый материал распределяет энергию по всей своей площади, поэтому он более устойчив к внешнему воздействию и высокой температуре. Схожие материалы, напротив, принимают удар в одной точке и из-за этого разрушаются. Ученые утверждают, что изделия из литого стеклокристаллического материала прослужат в 15 раз дольше, чем изготовленные из металла.

У российского изобретения есть аналоги, но они содержат вредные и недешевые в производстве вещества. Для изготовления литого стеклокристаллического материала не требуются дефицитные, дорогостоящие и токсичные вещества. Из него можно делать ударопрочные корпуса для автомобилей и железнодорожного транспорта, а также тротуарную плитку, бордюры, фонтаны, украшения для фасадов.

Сплав для новых систем охлаждения

Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» в сотрудничестве с компанией LG Electronics создали новые высокотеплопроводные магниевые сплавы. Их главное преимущество — устойчивость к высоким температурам, поэтому материалы планируют использовать в системах охлаждения. Проблема аналогов в том, что они быстро нагреваются и даже загораются на солнце. Например, в 2018 году в Германии на заводе BMW случился пожар в мастерской, где находилось большое количество деталей из магниевых сплавов.

Новый материал продлевает срок службы бытовой техники, электромобилей. В США, странах Евросоюза, Корее и Китае ученые запатентовали не только сплав, но и радиатор на его основе.

Иван Круглов, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов в МФТИ:

«Высокотеплопроводные магниевые сплавы — один из удачных примеров, когда сначала компьютер исследовал свойства вариантов соединений Mg-Zn-Si-Ca, а потом ученые реализовали самые перспективные из них. Без помощи программ на создание этих материалов ушло бы в несколько раз больше времени».

Композит с возможностью регенерации

В научно-исследовательском институте космических и авиационных материалов (НИИКАМ) в городе Переславль-Залесский разработали новый композитный материал аристид. Он в десять раз легче промышленного алюминия и по прочности превосходит титан. Тонкая 3-миллиметровая пластина выдерживает выстрел в упор из пистолета среднего калибра. При этом повреждения от пули остаются только на поверхности материала. Аристид обладает свойством регенерации и самостоятельно восстанавливает небольшие повреждения. А еще он жаропрочный и переносит температуру до 1300 ℃. Для сравнения: огонь в камине разгорается максимум до 1200 ℃.

Разработчики утверждают, что аристид может заменить композитные материалы, которые используют при изготовлении деталей для космических кораблей, спутников, авиатехники. Также его можно применять в автомобильной промышленности, строительстве, производстве протезов и кардиостимуляторов.

Волокно для одежды со встроенной нейросетью

В Массачусетском технологическом университете (США) разработали первое в мире цифровое волокно — тонкую и гибкую нить, которая вшивается в любую ткань. Благодаря встроенной нейронной сети разработка умеет распознавать, хранить и анализировать информацию. Например, определять, какой физической активностью занят человек. Это доказали в ходе эксперимента: мужчина сидел, ходил и бегал в одежде с цифровым волокном, а в это время датчики анализировали изменения температуры тела и передавали данные на компьютер. Разработка смогла с точностью до 96% определить, какое действие выполняет человек. Принцип работы новинки можно сравнить со смарт-часами, которые знают, что вы начали движение, с какой скоростью идете и сколько сделали шагов.

В планах ученых — изготавливать вещи с цифровым волокном для массового потребления. Такая одежда не чувствуется на теле, а стирать ее можно до десяти раз. Пока человек носит изделие, оно измеряет пульс, температуру. Разработчики утверждают, что в перспективе технология может хранить в одежде и музыку, ведь они уже смогли записать на волокно 30-секундное аудио весом 0,48 мегабайта.

Бесконечно перерабатываемый пластик

Согласно исследованию Агентства по охране окружающей среды США, в Америке только 12% пластмассы перерабатывается более одного раза. Большинство ее видов не подлежит повторному использованию. В 2019 году американские ученые создали новый пластик полидикетоенамин (ПДК), который можно перерабатывать бесконечно. ПДК без вреда качеству «разбирают» на молекулярном уровне и собирают в другую форму с новой текстурой или цветом. Ученые даже спроектировали компьютерную модель оборудования для производства и обработки материала. На ее основе можно сделать реальную установку.

Полидикетоенамин может заменить пластмассу, которую используют в производстве бытовых предметов, машин, изделий для строительства и медицины. По планам ученых новый материал поможет очистить окружающую среду от мусора.

«Ткань» для плаща человека-невидимки

Канадская компания HyperStealth Biotechnology разработала технологию квантовой невидимости. Сквозь новый материал, как через стекло, видно почти все, что располагается за ним. Однако лучи света, попадая в микроскопические линзы, рассеиваются, и всё, что находится на определенном расстоянии позади материала — будь то люди или предметы, становятся неразличимыми. Материал похож на тонкий пластик, но его точные характеристики компания пока не раскрывает.

Читайте также  Устройство защиты сильноточной аппаратуры

Разработчики запатентовали 13 видов материала разной формы и назначения. Одни могут скрывать человека, другие — здания, третьи — транспорт, космическую и военную технику, корабли. На основе нового материала получится создавать камуфляж для военных и полиции, а в будущем — и для массового потребления.

Пленка для очков вместо приборов ночного видения

Ученые из Австралийского национального университета разработали сверхтонкую пленку, которая состоит из микроскопических кристаллов и делает инфракрасное излучение видимым для человеческого глаза. Материал недорогой и простой в изготовлении.

Планируется, что разработку будут применять в службах безопасности и вооруженных силах. Сейчас там используют громоздкие приспособления для ночного видения, которые могут вызывать боли в шее. Новая сверхтонкая пленка крепится на обычные очки — она удобнее и облегчает работу в темноте. В будущем возможно массовое использование новинки: например, пленка пригодится для управления машиной в плохо освещенных местах.

Металл против болгарки и дрели

Немецкие физики создали материал Proteus, который невозможно разрезать. Он прочнее стали и в семь раз легче нее. При разработке ученые вдохновлялись природой — раковиной морских улиток и кожурой грейпфрутов. Оказалось, что их структура состоит из переплетений мягких и плотных элементов. Физики повторили этот принцип в своей разработке и получили материал, который похож на желе и заполнен множеством твердых керамических кусочков.

Ученые предполагают, что изобретение будут использовать для изготовления сейфов и защитного снаряжении против холодного оружия и для работы с режущими инструментами. Ведь если попробовать разрезать Proteus болгаркой или дрелью, то он разрушит диск и сверло. Так получается, потому что материал вызывает боковые вибрации внутри режущих граней. В эксперименте блок толщиной 4 см за минуту привел в негодность диск болгарки.

Звукоизолятор, способный сделать самолеты тихими

В британском Университете Бата разработали самый легкий звукопоглощающий материал. Сделан он из жидкого оксида графена и спирта. Изобретение похоже на соты, только внутри не мед, а плотная материя со множеством воздушных пузырьков. Профессор Микеле Мео, который возглавляет команду разработчиков, поясняет: «Метод получения материала можно сравнить со взбиванием яичных белков для создания безе. То есть звукоизолятор крепкий, но содержит много воздуха».

Разработку планируют использовать в авиатехнике: она очень легкая и способна снизить уровень шума двигателей самолета. По словам ученых, авиалайнеры могут стать почти такими же тихими, как новые автомобили. Пока что материал плохо рассеивает тепло, поэтому есть риск перегрева. Ученые проводят дополнительные исследования, чтобы решить эту проблему. Также специалисты хотят найти и другие полезные свойства. Например, огнестойкость или способность защищать от электромагнитных волн.

Золото со свойствами пластмассы

В Швейцарии разработали золото, плотность которого в десять раз меньше обычного: 1,7 г/см3 по отношению к 15 г/см3. По свойствам материал напоминает пластмассу, но химический состав такой же, как у природного металла. Изделие из него не получится сломать голыми руками или разбить, даже если уронить с большой высоты. В «пластмассовом» золоте содержится множество воздушных карманов, невидимых глазу, поэтому оно такое легкое.

Изобретение поможет уменьшить вес корпуса часов, также его предполагают использовать в производстве ювелирных украшений, электронике, атомной и химической промышленности. По желанию заказчика у модифицированного золота можно менять плотность, мягкость и цвет.

Куда движется material science

Иван Круглов, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов в МФТИ:

«Раньше ученым приходилось методом проб и ошибок разрабатывать новые материалы и изучать их свойства. При этом все ограничивалось профессионализмом специалиста. То есть если он не знает про устойчивость медных проводов к вибрациям, то не поймет, что их можно использовать в транспорте. Такой подход называется экспериментальным.

В 2021 году набирает популярность другой подход — компьютерные методы. Это значит, что специальные программы ищут новые материалы и предсказывают, например, как поведет себя сплав при высокой температуре или насколько прочным будет новый вид пластика. Чаще всего этот способ используют для поиска сверхпроводников (они при низкой температуре теряют электрическое сопротивление) и термоэлектриков (веществ, которые образуют электроток при разности температур). Благодаря технологиям удалось ускорить процесс поиска различных материалов, а значит и в других производственных и научных сферах ожидается более быстрое развитие.

В российской сфере material science делают упор на разработку:

  • новых сверхтвердых материалов;
  • составов сталей с улучшенными свойствами;
  • полимерных композиционных веществ, то есть тех, которые состоят из нескольких компонентов;
  • конструкционных и функциональных материалов — это детали машин, элементы сооружений и другие изделия, которые несут силовую нагрузку.

В 2021 году по этому направлению специально создали Центр НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества». Одна из перспективных разработок — обучение компьютеров поиску уникальных соединений для промышленности. Это возможно благодаря существующим базам данных веществ: программа анализирует их и предлагает собственные варианты с улучшенными свойствами».

Новый метод получения пленок для солнечных элементов на перовските

Сотрудники факультета наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова объяснили ключевые механизмы взаимодействия гибридных перовскитов с растворителями. На основе полученных результатов ученые предложили новые подходы к получению перовскитного светопоглощающего слоя тонкопленочных солнечных элементов из слабокоординирующих апротонных растворителей, сообщает пресс-служба МГУ. Исследование проходило в сотрудничестве с исследователями Курчатовского центра синхротронного излучения. Результаты работы опубликованы в журнале Chemistry of Materials.

На сегодняшний день тонкопленочные солнечные элементы на основе гибридных перовскитов уже достигли КПД 23,2%, превзойдя традиционные солнечные батареи на основе кремния. При этом светопоглощающий слой перовскита в таких устройствах может быть получен более простыми и дешевыми растворными методами, и они могут составить конкуренцию кремниевым аналогам уже в ближайшем будущем. В новом исследовании, выполненном в лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ под руководством заведующего лабораторией кандидата химических наук Алексея Тарасова, молодые ученые изучали процессы кристаллизации перовскита из обладающего необычными свойствами растворителя — гамма-бутиролактона (ГБЛ).

«Разрабатывая новые инновационные безрастворные методы получения солнечных элементов в нашей лаборатории, мы уделяем большое внимание фундаментальным аспектам химии перовскитов. Это традиционная особенность материаловедческой школы МГУ, отличающая нас от большинства мировых групп», — рассказывает Алексей Тарасов.

Для нанесения тонких пленок перовскита из растворов обычно используются два растворителя: диметилсульфоксид и диметилформамид. Однако более ранние работы ученых МГУ показали, что кристаллизация из них протекает через образование промежуточных соединений — кристаллосольватов, которые могут ухудшать морфологию и функциональные свойства перовскитного слоя.

В качестве растворителя для перовскита был известен также ГБЛ, проявляющий так называемую ретроградную растворимость (при повышении температуры растворимость перовскита в нем понижается). Эту особенность исследователи широко применяли для получения монокристаллов, а попытки получить тонкую пленку заканчивались формированием отдельных кристаллитов на подложке. Долгое время причины такого необычного поведения растворов перовскитов в ГБЛ были неизвестны. Считалось, что взаимодействие перовскит—ГБЛ настолько слабое, что он даже не образует с ним сольватов. Однако ученые обнаружили, что существует как минимум три вида кристаллосольватов перовскита с ГБЛ, а некоторые из них имеют уникальную кластерную структуру. Стало ясно, что равновесия в растворах перовскита в ГБЛ значительно сложнее, чем представлялось ранее.

«Мы установили, что при комнатной температуре перовскит растворяется с образованием таких кластеров, а при нагреве они распадаются до малоразмерных комплексов. Это приводит к пересыщению и выпадению перовскита из раствора в виде монокристаллов. Мы показали, что именно выпадение кластерного аддукта вместо перовскита препятствовало получению тонких пленок из этого растворителя, и на основе понимания процессов, протекающих при растворении перовскита в ГБЛ, мы предложили подходы, направляющие кристаллизацию перовскита в обход образования кластеров, что впервые позволило получить из него качественные пленки. Это отличный пример практического применения фундаментальных химических знаний для решения прикладных материаловедческих задач — именно того, что во всем мире принято называть фундаментальным материаловедением», — рассказал Алексей Тарасов.

Стоит отметить, что обычные, ставшие давно традиционными, кремниевые солнечные батареи при толщине 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего один микрон. Это вещество находится сегодня на одном из лидирующих мест в рейтинге путей оптимизации для солнечной энергетики.

Солнечные батареи на базе кремния стоят сегодня в среднем 75 центов за киловатт, а солнечные батареи на основе перовскита снизят их стоимость до 10–15 центов. То есть перовскитная технология в пять–семь раз дешевле кремниевой как при производстве батарей, так и при их эксплуатации, а количество производимой электроэнергии такое же.

Читайте также  Солнечная батарея своими руками

И это при том, что аналитики энергетической отрасли утверждают, что уже при стоимости 50 центов за киловатт солнечная энергия становится конкурентоспособной по отношению к ископаемому топливу. То есть переход на перовскит в глобальном масштабе снизит стоимость производства электроэнергии во много раз, при этом процесс производства самих панелей будет очень простым.

По мнению швейцарского химика М ихаэля Гретцел я , КПД 25% приведет к революции в солнечной энергетике. Эксклюзивное интервью с профессором Гретцелем читайте в «Стимуле» .

Прорыв в микроэлектронике. Ученые разработали новый процесс осаждения атомных слоев

Новый способ нанесения тонких слоев атомов в качестве покрытия на материал подложки при температуре, близкой к комнатной, был изобретен в Университете Алабамы в Хантсвилле (UAH), входящем в систему Университета Алабамы.

Доктор Мунхён Джанг, научный сотрудник UAH, придумал использовать технологию ультразвукового распыления для испарения химикатов, используемых при осаждении атомного слоя (ALD), при покупке домашнего увлажнителя воздуха. Доктор Джанг работает в лаборатории доктора Ю Лэя, доцента кафедры химического машиностроения.

«ALD — это метод осаждения трехмерных тонких пленок, который играет важную роль в производстве микроэлектроники, в производстве таких элементов, как центральные процессоры, память и жесткие диски», — говорит д-р Лей.

Каждый цикл ALD создает слой глубиной в несколько атомов. Процесс ALD повторяет цикл осаждения сотни или тысячи раз. Однородность тонких пленок зависит от поверхностной самоограничивающейся реакции между парами химического прекурсора и подложками.

«ALD предлагает исключительный контроль нанометровых характеристик при равномерном нанесении материалов на большие кремниевые пластины для крупносерийного производства», — говорит доктор Лей. «Это ключевой метод для производства мощных и небольших интеллектуальных устройств».

Просматривая в Интернете безопасный и простой в использовании домашний увлажнитель воздуха, доктор Джанг заметил, что представленные на рынке увлажнители используют либо прямой нагрев при высокой температуре, либо ультразвуковую вибрацию распылителя при комнатной температуре для создания водяного тумана.

«Мун внезапно осознал, что последний может быть безопасным и простым способом генерировать пары реактивных химикатов, которые термически нестабильны», — говорит доктор Лей. «На следующий день Мун пришел, чтобы обсудить идею, и мы разработали эксперименты, чтобы доказать эту концепцию в нашей исследовательской лаборатории. Весь процесс занял почти год. Но великая идея пришла к Муну как вспышка».

В процессах ALD обычно используются нагретые молекулы в газовой фазе, которые испаряются из твердой или жидкой формы, аналогично комнатным увлажнителям, использующим тепло для испарения воды. Однако в этом процессе ALD некоторые химические прекурсоры нестабильны и могут разлагаться до достижения давления пара, достаточного для ALD.

«В прошлом многие реактивные химические вещества считались непригодными для ALD из-за их низкого давления пара и термической нестабильности», — говорит д-р Лей. «Наше исследование показало, что технология ультразвукового распыления позволяет испарять химически активные вещества при комнатной температуре».

Изобретение ученых UAH в области ультразвука позволяет использовать широкий спектр химически активных веществ, которые термически нестабильны и не подходят для прямого нагрева.

«Ультразвуковое распыление, разработанное нашей исследовательской группой, позволяет получать прекурсоры с низким давлением пара, поскольку испарение прекурсоров происходило посредством ультразвуковой вибрации модуля», — говорит доктор Лей. «Как и в случае с бытовым увлажнителем воздуха, ультразвуковое распыление создает туман, состоящий из насыщенного пара и микрокапель. Капли микронного размера непрерывно испаряются, когда туман доставляется к подложкам с газом-носителем».

В этом процессе используется пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь, помещенный в жидкий химический прекурсор. После запуска преобразователь начинает вибрировать несколько сотен тысяч раз в секунду и создает туман химического предшественника. Небольшие капельки жидкости в тумане быстро испаряются в газовом коллекторе под действием вакуума и мягкой термообработки, оставляя после себя ровный слой осаждаемого материала, пишет phys.org.

«Используя ультразвуковое распыление при комнатной температуре, о котором сообщается в нашей работе, новые процессы ALD могут быть разработаны с использованием низколетучих и нестабильных прекурсоров», — говорит доктор Лей. «Это откроет новое окно для многих процессов ALD».

Графен: новые методы получения и последние достижения

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 Пекинского института физики (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.

Читайте также  Как связать микроконтроллер и компьютер по каналу rs-232

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.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Процесс изготовления графена в «домашних условиях»

  • Для создания и наблюдения самого тонкого материала на нашей планете вам понадобятся чистые условия (например, физико-химическая лаборатория, хотя подойдет и обычная комната с хорошей вентиляцией), чистые руки, желательно в перчатках, и чистые помыслы ☺.
  • Сначала подготовьте подложку, на которую вы будете помещать графен для наблюдения в микроскопе. Для этого нужно взять кремниевую подложку с естественным оксидом на поверхности, которую перед исследованием следует очистить. Лучше всего для этого подойдет раствор соляной кислоты и перекиси водорода в соотношении 1:3. Поместите пластину в раствор на 30 секунд, а затем просушите сжатым азотом.
  • Приложите отслоенный кусочек графита к ленте-скотч, используя пинцет. Аккуратно сложите ленту пополам, накрыв графит липкой стороной. Несильно прижмите ленту к графиту с обеих сторон и неторопливо раскройте скотч, чтобы можно было наблюдать расслоение графита на две части.
  • Повторите предыдущий этап раз десять. Чем тоньше будут становиться слои графита, тем сложнее будет это делать.
  • Очень осторожно поместите ленту-скотч с графитом на поверхность кремниевой подложки. Используя пластиковый пинцет, удалите воздушные пузырьки между лентой и подложкой. Пройдитесь по поверхности образца пинцетом, несильно его придавливая к подложке в течение десяти минут. Затем очень медленно снимите ленту, придерживая подложку.
  • Поместите ваш образец под 50-, а лучше 100-кратную линзу микроскопа. Вы увидите множество графитовых «чешуек» разных размеров и формы, переливающихся всеми цветами радуги. Если вам повезет, вы заметите графен: почти прозрачную, кристаллической формы «чешуйку», бесцветность которой будет сильно отличаться от ярких цветов «толстых» графитовых собратьев.
  • Источники:
    1) Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir–Blodgett films // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 538–542.
    2) Yenny Hernandez et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 563–568.
    3) Jannik C. Meyer et al. Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphene Membranes // NanoLetters (2008), doi: 10.1021/nl801386m.
    4) Andre K. Geim, Philip Kim. Carbon Wonderland // Scientific American (2008). No. 4. P. 90–97. См. также по-русски: Андре Гейм и Филип Ким «Углерод — страна чудес» // «В мире науки» № 7, 2008.
    5) J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets (доступен полный текст) // NanoLetters. V. 8. No. 8. P. 2458–2462 (2008).

    Учёные МГУ придумали новый способ синтеза материалов для оптоэлектроники

    Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ совместно с коллегами из институтов РАН создали пленки на основе оксида ванадия, обладающие рекордными показателями. Совокупность этих преимуществ вместе с дешевизной новой методики синтеза позволяет надеяться на большой прорыв в оптоэлектронике. Результаты исследования опубликованы в журналах CrystEngComm и Сeramics International. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.

    Терагерцовая оптоэлектроника широко применяется в системах безопасности. Терагерцовые волны – не ионизирующие (от них в веществе не образуются ионы, как от рентгеновских волн), но дерево, пластик и керамика для них прозрачны (в отличие от воды и металла). Поэтому с помощью терагерцовых волн удобно просвечивать чемоданы. Кроме того, волны данного диапазона можно применять в контроле качества продуктов питания и строительных материалов, а также в медицине и в фармацевтике. Можно, но неудобно.

    «Сейчас типичные устройства, основанные на принципе управления потоком терагерцовых волн, довольно громоздки, что ограничивает их потенциальное применение, – рассказал один из авторов работы, к.х.н., сотрудник химического факультета МГУ Артем Макаревич, – Особенно, если принять во внимание постоянно растущие требования к миниатюризации и повышению эргономики устройств. Поэтому разработка материалов для компонентов устройств ТГц-диапазона – датчиков и модуляторов – попала в зону интереса крупных фундаментальных и коммерческих проектов. Ранее уже было предпринято множество попыток поиска подхода к созданию высокоэффективных функциональных материалов, однако эта область все еще мало изучена. Поэтому прорыв в данной области может сыграть ключевую роль в развитии рынка ТГц-устройств».

    Диоксид ванадия – одно из соединений, которое вызывает повышенный интерес в области оптоэлектроники из-за резкого изменения проводимости на 4-5 порядков при температуре, близкой к комнатной (68 градусов Цельсия). Такой переход позволяет создавать сверхбыстрые оптоэлектронные переключатели, управляемые температурой. Также материалы (например, пленки) на основе оксида ванадия используются в «умных окнах», инфракрасных датчиках, биосенсорах и др. Однако характеристики материалов из оксида ванадия напрямую зависят от способа получения. Поэтому одной из главных задач для ученых стал поиск оптимальной и наиболее эффективной методики синтеза пленок на основе оксида ванадия.

    Химики и материаловеды МГУ с коллегами из РАН вырастили гидротермальным методом пленки диоксида ванадия с необычной структурой, внешне схожей с ёлочными иголками. Как говорят авторы работы, метод новейший, он использован всего в 11 работах по всему миру, 3 из которых принадлежат авторству данной научной группы. С точки зрения синтетического подхода направление не только новое, но и непростое из-за большого количества параметров. С другой стороны, оно перспективное, так как воспроизводимое и более дешевое, чем другие методы.

    «Пленки, которые мы получили новым методом, обладают рекордными для данного типа материалов характеристиками, – рассказала доцент факультета наук о материалах МГУ Ольга Бойцова . – К примеру, по чувствительности в терагерцовом диапазоне: при 1.5 ТГц пропускание падает в 8 раз (c 80% до 10%), что очень много для неполимерных материалов. Также рекордным стал острый термоэлектрический переход – при 68 градусах Цельсия величина сопротивления материала уменьшается почти на 6 порядков (в остальных исследованиях удавалось достичь 4 порядков). Сейчас мы пытаемся уменьшить температуру, при которой происходит этот переход, так как 68 градусов – весьма неудобная температура с позиции широкого применения материалов. Кроме того, для нас важно совместить термоэлектрические свойства пленок и их чувствительность к воздействию ИК и терагерцового излучений – это позволит расширить область использования. Материалы с такой комбинацией свойств используются в ИК-датчиках температуры – в них для получения результата прибор “считывает” излучение, испускаемое объектом».