Путем поэтапного нагревания этена до температуры чуть более 700 градусов Цельсия — более высокой, чем пытались раньше — исследователи получили чистые слои графена на подложке родиевого катализатора. Ступенчатый нагрев и более высокая температура позволили преодолеть проблемы, которые наблюдались в более ранних попытках производства графена непосредственно из углеводородных предшественников.Из-за более низкой стоимости и простоты этот метод может открыть новые потенциальные области применения графена, который обладает привлекательными физическими и электронными свойствами. В работе также предлагается новый механизм самоэволюции предшественников углеродных кластеров, диффузионная коалесценция которых приводит к образованию слоев графена.
Исследование, о котором сообщалось в качестве обложки в выпуске Journal of Physical Chemistry C от 4 мая, было проведено учеными Технологического института Джорджии, Технического университета Мюнхена в Германии и Университета Сент-Эндрюс в Шотландии. В США исследование было поддержано Управлением научных исследований ВВС США и Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.
«Поскольку графен состоит из углерода, мы решили начать с простейшего типа углеродных молекул и посмотреть, сможем ли мы собрать их в графен», — объяснил Узи Ландман, профессор регентства и заведующий кафедрой Физической школы Джорджии. возглавивший теоретическую составляющую исследования. «Из небольших молекул, содержащих углерод, вы получаете макроскопические кусочки графена».В настоящее время графен производится с использованием различных методов, включая химическое осаждение из паровой фазы, испарение кремния из карбида кремния и простое отслоение графеновых листов от графита. Ряд предыдущих попыток получить графен из простых предшественников углеводородов оказались в значительной степени безуспешными, создав неупорядоченную сажу, а не структурированный графен.Руководствуясь теоретическим подходом, исследователи пришли к выводу, что путь от этена к графену будет включать образование ряда структур, когда атомы водорода покидают молекулы этена, а атомы углерода самоорганизуются в сотовый узор, который характеризует графен.
Чтобы исследовать природу термически индуцированных превращений родия, катализируемых поверхностью, из этена в графен, экспериментальные группы в Германии и Шотландии постепенно повышали температуру материала в сверхвысоком вакууме. Они использовали сканирующую туннельную микроскопию (СТМ), термопрограммированную десорбцию (ТПД) и спектроскопию потерь энергии электронов (колебательную) с высоким разрешением (HREELS), чтобы наблюдать и характеризовать структуры, которые образуются на каждом этапе процесса.При нагревании этен, адсорбированный на родиевом катализаторе, выделяется в результате реакций сочетания с образованием сегментированных одномерных полиароматических углеводородов (1D-PAH). Дальнейшее нагревание приводит к переходу размерности — одномерной к двумерной структуре — и процессы динамической реструктуризации в цепи ПАУ заканчиваются последующим активированным отщеплением углеродных кластеров с избирательным размером, следуя механизму, выявленному с помощью первых принципов квантово-механического моделирования.
Наконец, ограничивающая скорость диффузионная коалесценция этих динамически саморазвивающихся кластеров-предшественников приводит к конденсации в графен высокой чистоты.На заключительном этапе перед образованием графена исследователи наблюдали почти круглые дискообразные кластеры, содержащие 24 атома углерода, которые расширяются, образуя решетку графена. «Температура должна быть повышена в пределах диапазона температур, чтобы позволить необходимым структурам сформироваться перед следующей стадией нагрева», — пояснил Ландман. «Если вы остановитесь при определенных температурах, у вас, скорее всего, закончится закоксовывание».
Важным компонентом является процесс дегидрирования, который освобождает атомы углерода для образования промежуточных форм, но некоторая часть водорода временно находится на поверхности металлического катализатора или рядом с ней и способствует последующему процессу разрыва связи, который приводит к отслоению атомов углерода. углеродные кластеры-предшественники. «На всем пути происходит потеря водорода из кластеров», — сказал Ландман. «Повышение температуры по существу« выкипает »водород из развивающейся углеродной структуры на металлической основе, достигая высшей точки в графене».Полученная структура графена адсорбируется на катализаторе. Может быть полезно прикрепить его к металлу, но для других применений потребуется разработать способ его удаления.
Лэндман добавил: «Это новый путь к графену, и его возможное технологическое применение еще предстоит изучить».