Российские ученые выяснили, почему вместо того, чтобы просто сгорать при высоких температурах, оксид графена открывает двери для перспективного и недорогого метода производства графена. Исследование было опубликовано в журнале Carbon.
Прошло уже более десяти лет с тех пор, как за экспериментальные исследования графена была присуждена Нобелевская премия , но ученые до сих пор не нашли способ получить качественный графен большой площади, который был бы дешевым, эффективным и масштабируемым для промышленных нужд. Восстановление графена из оксида графена с помощью лазерного облучения представляется многообещающим направлением: оксид графена, полученный из обычного графита химическими методами, метод восстановления с помощью лазера имеет большие перспективы с точки зрения стоимости и контролируемости качества получаемого материала.
Несколько лет назад группа исследователей из Сколтеха обнаружила, что нагрев оксида графена до 3300-3800 К даже в атмосферных условиях позволяет получать графен достаточно высокого качества.
«Результат стал большим сюрпризом для наших коллег: температура была очень высокой, но они получили хорошо структурированный материал. приобрел хорошие структурные свойства», — рассказал заместитель заведующего лабораторией суперкомпьютерных методов физики конденсированных сред МФТИ Никита Орехов. «Чтобы выяснить причину этого неожиданного эффекта, мы решили изучить процесс высокотемпературного восстановления оксида графена с помощью суперкомпьютерного атомистического моделирования и провести дополнительные исследования в соответствии с планом эксперимента наших коллег».
Исследователи обнаружили, что, с одной стороны, при высоких температурах (Т > 3000 К) атомы кислорода из газовой среды интенсивно взаимодействуют с графеном, окисляя и разрушая его. С другой стороны, при тех же температурах начинается быстрый отжиг кристаллической решетки, что позволяет устранить дефекты. Во время отжига решетчатая структура выпрямляется, а не распадается.
«Оказывается, что в разных местах материала под действием лазерных импульсов одновременно протекают два противоположных процесса: горение, или разрушение, локализовано вблизи дефектов и границ графеновых листов, где атомы углерода наиболее химически активны, а отжиг происходит преимущественно в центр листа, где атомы предпочитают вернуться в стабильную конфигурацию», — сказал Станислав Евлашин, ведущий научный сотрудник Центра технологий материалов (ЦМТ) Сколтеха.
Полученные данные проливают свет на поведение оксида графена при экстремальных температурах, когда прямые эксперименты вряд ли возможны. Понимание процессов, описанных в статье, может помочь в дальнейшей разработке и оптимизации методов получения высококачественного графена из монокристаллов большой площади.
Теги: графен, лазер
