Первоначальная работа с углеродным материалом, который образует сетку атомного масштаба и имеет толщину всего один атом, основывалась на использовании крошечных хлопьев, обычно получаемых путем быстрого удаления куска липкой ленты с блока графита — небольшой -технологическая система, не поддающаяся производству. С тех пор акцент сместился на создание графеновых пленок на металлической фольге, но исследователи столкнулись с трудностями при переносе графена с фольги на полезные подложки.Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и Мичиганского университета придумали способ производства графена в процессе, который поддается расширению, путем изготовления графена непосредственно на таких материалах, как большие листы стекла. Этот процесс описан в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Scientific Reports, группой из девяти исследователей под руководством А. Джона Харта из Массачусетского технологического института.
Ведущими авторами статьи являются Дэн МакНерни, бывший постдок из Мичигана, и Вишванат Балакришнан, бывший постдок Массачусетского технологического института, который сейчас работает в Индийском технологическом институте.В настоящее время большинство методов получения графена сначала выращивают материал на металлической пленке, такой как никель или медь, говорит Харт, доцент кафедры машиностроения Mitsui по развитию карьеры. «Чтобы сделать его полезным, вы должны снять его с металла на подложку, такую как силиконовая пластина или полимерный лист, или что-то большее, например, лист стекла», — говорит он. «Но процесс переноса стал намного более разочаровывающим, чем процесс выращивания самого графена, и может повредить и загрязнить графен».В новой работе, по словам Харта, в качестве шаблона по-прежнему используется металлическая пленка, но вместо того, чтобы делать графен только поверх металлической пленки, он создает графен как сверху, так и снизу пленки. Подложка в этом случае представляет собой диоксид кремния, форму стекла с пленкой никеля поверх него.
По словам Харта, с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD) для нанесения слоя графена поверх никелевой пленки получается «не только графен сверху [слоя никеля], но и снизу». Затем никелевую пленку можно снять, оставив только графен на неметаллической подложке.
Таким образом, нет необходимости в отдельном процессе прикрепления графена к предполагаемой подложке — будь то большая стеклянная пластина для экрана дисплея или тонкий гибкий материал, который можно использовать в качестве основы для легкого портативного устройства. солнечная батарея, например. «Вы делаете CVD на подложке, и, используя наш метод, графен остается на подложке», — говорит Харт.Помимо исследователей из Мичигана, где ранее преподавал Харт, работа проводилась в сотрудничестве с крупным производителем стекла Guardian Industries. «Чтобы удовлетворить их производственные потребности, он должен быть очень масштабируемым», — говорит Харт. В настоящее время компания использует флоат-процесс, при котором стекло перемещается со скоростью несколько метров в минуту на объектах, которые производят сотни тонн стекла каждый день. «Нас вдохновила необходимость разработать масштабируемый производственный процесс, позволяющий производить графен непосредственно на стеклянной подложке», — говорит Харт.
Работа все еще находится на начальной стадии; Харт предупреждает, что «нам все еще нужно улучшить однородность и качество графена, чтобы сделать его полезным». Но потенциал велик, считает он: «Возможность производить графен непосредственно на неметаллических подложках может быть использована для широкоформатных дисплеев и сенсорных экранов, а также для« умных »окон, в которые встроены такие устройства, как нагреватели и датчики».Харт добавляет, что этот подход также может быть использован для небольших приложений, таких как интегральные схемы на кремниевых пластинах, если графен может быть синтезирован при более низких температурах, чем те, которые использовались в настоящем исследовании.
«Этот новый процесс основан на понимании роста графена во взаимосвязи с механикой никелевой пленки», — говорит он. «Мы показали, что этот механизм может работать. Теперь нужно улучшить атрибуты, необходимые для создания высокоэффективного графенового покрытия».Христос Димитракопулос, профессор химической инженерии Массачусетского университета в Амхерсте, который не участвовал в этой работе, говорит: «Это очень важная работа для нанесения графена на очень большие площади на изоляционные подложки». По сравнению с другими методами, такими как использование подложки из карбида кремния (SiC) для выращивания графена, он говорит: «Тот факт, что латеральный размер графена в подходе группы Харта ограничен только размером реактора [CVD]. , а не размер пластины SiC, является большим преимуществом ».«Это качественная и тщательно выполненная работа», — добавляет Димитракопулос.
Работа была поддержана Guardian Industries, Национальным научным фондом и Управлением научных исследований ВВС США.