23.03.2022
Российские ученые выяснили, почему при высоких температурах оксид графена не
сгорает, а становится основой для перспективной и недорогой методики получения
графена. Результаты исследования опубликованы в журнале Carbon.
Хотя с момента вручения Нобелевской премии за эксперименты по исследованию
графена прошло уже более десяти лет, пока не разработано эффективной и
недорогой методики получения качественного графена большой площади, которую
можно было бы перенести на получение промышленных объемов. Одной из
перспективных идей в этом направлении является применение лазерного излучения
для восстановления графена из оксида графена. Сам оксид графена при этом
получается химическим путем из обычного графита. Лазерная методика
восстановления привлекательна своей дешевизной и возможностью контролируемо
варьировать качество получаемого материала.
Несколько лет назад группа ученых из Сколтеха обнаружила, что графен достаточно
высокого качества можно получить в ходе импульсного лазерного нагрева оксида до
3300–3800 К даже в обычной воздушной атмосфере.
«Такой результат коллег был очень неожиданным: удивительно, что при таких
высоких температурах у них получалось что-то хорошо структурированное, ведь
углеродные материалы активно горят в присутствии атмосферного кислорода
уже начиная с температур 600–800 К. А в эксперименте при существенно бо́льших
температурах графен, напротив, приобретал хорошие структурные свойства, —
рассказывает Никита Орехов, заместитель заведующего лабораторией
суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ. — Чтобы
разобраться в природе этого неожиданного эффекта, мы решили воспользоваться
методами суперкомпьютерного атомистического моделирования* и изучить
процесс восстановления оксида графена при высоких температурах, проведя
дополнительное экспериментальное исследование по схеме коллег».
В ходе расчетов ученые обнаружили, что, с одной стороны, при высоких температурах
(>3000 К) атомы кислорода из газового окружения действительно активно
взаимодействуют с графеном, окисляя и разрушая его. С другой, при этих же
температурах начинается быстрый отжиг кристаллической решетки — устранение
дефектов путем аккуратного нагрева и последующего охлаждения материала. За счет
отжига решетка, наоборот, упорядочивает свою структуру.
Рисунок. а — обозначенные красным атомы углерода на границах графеновых
листов «сгорают» под воздействием лазерных импульсов. b — в центральных
областях графеновых листов происходит отжиг: графен выстраивается в
правильную устойчивую структуру. Источник: Carbon
«Получается, что при воздействии лазерных импульсов в масштабах одного
материала сосуществуют два противоположных процесса. Но они разнесены
пространственно: горение — разрушение — происходит на дефектах и границах
графеновых листов — там, где атомы углерода наиболее химически активны.
Отжиг же наблюдается преимущественно в центральных областях, в которых
атомам выгодно вернуться в устойчивую конфигурацию», — комментирует
Станислав Евлашин, ведущий научный сотрудник Центра технологии материалов
Сколтеха.
Полученные результаты проливают свет на поведение оксида графена при
экстремальных температурах — в области, где проведение прямого
экспериментального анализа практически не представляется возможным. Понимание
процессов, описанных в работе, может помочь в дальнейшем развитии и оптимизации
методов получения высококачественного графена с большой площадью
монокристаллов.
*Атомистическое моделирование позволяет численно описывать и предсказывать
поведение каждого отдельного атома в некотором, как правило, очень небольшом
объеме вещества. С вычислительной точки зрения такие методы являются крайне
ресурсоемкими и требуют использования высокопроизводительных машин, способных
для решения одной задачи задействовать одновременно сотни, а порой и тысячи
отдельных процессоров, — так называемых суперкомпьютеров.
Пресс-служба МФТИ
Нет комментариев