Китайські хіміки розробили нову технологію отримання графена, яка дозволяє синтезувати бездефектні кристали речовини з рекордною швидкістю. Особливістю нового підходу є використання підкладки з розплавленої міді, яка не тільки володіє дуже рівною поверхнею, але і грає роль каталізатора. Вченим вдалося домогтися швидкості зростання кристалів в 79 мікрон в секунду, що приблизно на третину краще попереднього показника в 60 мікрон в секунду. Результати описано в журналі.
Графен, тобто плоска шестикутна решітка з атомів вуглецю, має цілу низку цікавих властивостей. Зокрема, електрони в ньому володіють нульовою ефективною масою, що забезпечує надзвичайно високу мобільність зарядів і рекордну теплопровідність. Також ця речовина характеризується високою механічною міцністю, незвичайним і сильним діамагнетизмом, а також оптичною прозорістю. Всі ці параметри роблять його підходящим кандидатом для використання в електроніці, особливо дрібномасштабною, де відведення тепла - одна з найважливіших проблем.
Однак властивості графена значною мірою залежать від його якості, тобто відсутності дефектів і розміру окремих кристалів. У зв'язку з цим активно розвиваються різні способи синтезу графена. Одним з них є вирощування методом хімічної облоги з газової фази (Chemical vapor deposition, CVD) на поверхню металу. Однак такі субтрати часто є полікристалічними, що призводить до появи безлічі центрів нуклеації, тобто до початку зростання графену відразу в багатьох точках. Він також складається із сукупності зерен, що може значно знижувати електронні та інші характеристики. Для боротьби з цією проблемою зазвичай обмежують потік осаджуваного вуглецю, що, в свою чергу, уповільнює зростання.
Китайські хіміки з Уханьського університету представили модифікацію цієї технології - вони запропонували використовувати замість твердих металів рідкі. Таку підкладку можна зробити рівною практично з атомарною точністю, а рухливість частинок буде забезпечувати високу швидкість дифузії, що дозволить уникнути появи дефектів і меж між зернами, не усунених у разі твердого субстрату. Потенційно такий підхід повинен бути ідеальним рішенням, що забезпечує низьку щільність центрів кристалізації, при цьому допускаючи високу швидкість зростання. Тим не менш, за словами авторів роботи, вирощуванню на підкладках з рідкого металу раніше не приділялося достатньої уваги.
У рамках експериментів вчені працювали з міддю, оскільки вона володіє високою електропровідністю, тобто в ній багато вільних електронів, які сприяють зростанню графену, забезпечуючи появу центру кристалізації протягом секунд. Також рідка мідь характеризується високою текучістю, що забезпечує швидке перенесення атомів вуглецю. Проведення дослідів за різних умов показало падіння щільності центрів кристалізації приблизно в тисячу разів при перетині температури плавлення міді. Час поява центрів нуклеації при цьому також знижувалася в рази.
Окремо вчені детально досліджували швидкість зростання монокристалів графену. Для цього вони використовували невелику частку ізотопів вуглецю-13, які дозволяли точно відстежувати кінетику процесу за допомогою раманівської спектроскопії і під'япролітної мас-спектрометрії вторинних іонів. Виявилося, що в порівнянні з твердою міддю графен почав рости майже на два порядку швидше, досягнувши рекордних значень в 79 мікрон в секунду. Ці дані також дозволили встановити, що в разі розплавленої міді нові атоми вуглецю можуть приєднуватися до зростаючого кристала графена як з газової фази, так і з рідкої через розчинення в міді. Одночасне існування двох шляхів зростання забезпечувало швидке збільшення кристалів. Авторам вдалося виростити помітні неозброєним оком монокристали розміром до декількох міліметрів.
"Ми думаємо, що дослідження про швидкість зростання графену в системах з розплавленою міддю збагатять наші знання про вирощування почесних матеріалів на рідких металах, - говорить керівник колективу Лей Фу (Lei Fu). Ми також очікуємо відкриття більш цікавої і незвичайної поведінки на поверхні рідкого металу. Сподіваємося, що наша стратегія буде узагальнена на вирощування інших почесних матеріалів, що забезпечить їх застосування в майбутньому ".
Графен продовжує залишатися предметом безлічі досліджень. Однією з найбільш несподіваних властивостей, відкритих за останній час, є виникнення надпровідності при накладанні двох шарів, повернутих відносно один одного на «магічний» кут. Також безліч робіт присвячено застосуванню даного матеріалу. Зокрема, з нього зробили газороздільну мембрану і легкий струмопровідний композит. Тим часом в Іспанії почали випробовувати бронежилети з графеном, а інша група дослідників навчилася ліпити графенового сніговика.