Учёные нашли новый способ создания графена, который добавляет структурные дефекты для повышения производительности материала. Это может принести пользу в самых разных областях применения — от датчиков и батарей до электроники.
Исследователи из Школы химии Ноттингемского университета, Университета Уорика и Diamond Light Source разработали одностадийный процесс выращивания плёнок, подобных графену, с использованием молекулы азупирена, форма которой имитирует желаемый дефект. Исследование опубликовано сегодня в журнале Chemical Science.
Дэвид Дункан, доцент Ноттингемского университета и один из ведущих авторов исследования, объясняет: «Наше исследование изучает новый способ создания графена — этого сверхтонкого и сверхпрочного материала, состоящего из атомов углерода. Хотя идеальный графен замечателен, иногда он слишком идеален. Он слабо взаимодействует с другими материалами, и ему не хватает важнейших электронных свойств, необходимых в полупроводниковой промышленности».
«Обычно дефекты в материале рассматриваются как проблемы или ошибки, снижающие производительность, но мы использовали их намеренно для добавления функциональности. Мы обнаружили, что дефекты могут сделать графен более «липким» к другим материалам, что делает его более полезным в качестве катализатора, а также улучшает его способность обнаруживать различные газы для использования в датчиках. Дефекты также могут изменять электронные и магнитные свойства графена, что потенциально может быть использовано в полупроводниковой промышленности», — добавляет он.
Графен состоит из плоской укладки шести атомов углерода в кольце. Желаемый дефект имеет соседние кольца, состоящие из 5 и 7 атомов углерода. Азупирен имеет форму (или топологию), которая естественным образом включает в себя тот же тип неправильных колец, которые должны быть введены в графен. Азупирен использовался для выращивания графена и создания плёнок с высоким содержанием этого специфического типа дефектов. Изменяя температуру во время роста, можно контролировать количество дефектов в конечном материале.
Исследователи из Института графена в Манчестере также успешно продемонстрировали, что графен можно перенести на различные поверхности, сохранив дефекты — ключевое технологическое достижение на пути к применению этих плёнок в реальных устройствах.
В работе использовался широкий спектр передовых инструментов, объединивших сотрудничество между Великобританией, Германией и Швецией, с применением передовой микроскопии и спектроскопии в Diamond Light Source в Оксфордшире и MAX IV в Швеции, а также национального суперкомпьютера Великобритании ARCHER2. Это позволило исследователям изучить атомную структуру дефектного графена, продемонстрировав наличие дефектов и то, как они влияют на химические и электронные свойства дефектного графена.
Профессор Райнхард Маурер с кафедры химии Университета Уорика говорит: «Тщательно выбирая исходную молекулу и условия роста, мы показали, что можно выращивать графен, в котором несовершенства могут быть введены более контролируемым образом. Мы характеризуем признаки этих несовершенств, объединяя визуализацию на атомном уровне, спектроскопию и компьютерное моделирование».
«Это исследование является свидетельством того, чего можно достичь благодаря международному сотрудничеству и интеграции различных научных знаний», — говорит доктор Тянь-Лин Ли из Diamond Light Source. «Объединив передовую микроскопию, спектроскопию и компьютерное моделирование в учреждениях Великобритании, Германии и Швеции, мы смогли раскрыть атомные механизмы формирования дефектов в графене, чего не смогла бы достичь ни одна техника или команда в одиночку».
Предоставлено Ноттингемским университетом.