Naukowcy odkryli, dlaczego tlenek grafenu nie tylko spala się w wysokich temperaturach, ale otwiera drzwi do obiecującej i niedrogiej metody produkcji grafenu. Wyniki badania ukazały się w czasopiśmie Carbon.
Minęło ponad dziesięć lat od przyznania Nagrody Nobla za badania eksperymentalne nad grafenem, ale naukowcy wciąż nie znaleźli sposobu na uzyskanie wysokiej jakości grafenu o dużej powierzchni, który byłby tani, wydajny i wystarczająco skalowalny, aby sprostać wymaganiom przemysłowym wymagania. Redukcja grafenu z tlenku grafenu za pomocą napromieniowania laserowego wydaje się być obiecującym podejściem: dzięki zastosowaniu metod chemicznych do przygotowania tlenku grafenu ze zwykłego grafitu technologia redukcji wspomaganej laserem jest bardzo obiecująca pod względem kosztów i możliwości kontrolowania jakości materiału.
Kilka lat temu zespół badaczy ze Skoltech odkrył, że tlenek grafenu można ogrzać do 3300-3800 K nawet w warunkach atmosferycznych, aby wytworzyć grafen o dość wysokiej jakości.
Nikita Orekhov powiedział: „Ten wynik zaskoczył naszych kolegów: temperatura była bardzo wysoka, ale uzyskali materiał o dobrej strukturze. Materiały węglowe łatwo palą się w tlenie atmosferycznym w temperaturze 600-800 K lub wyższej, natomiast w eksperymentach w wyższych temperaturach, grafen osiąga dobre właściwości strukturalne.” Nikita Orekhov, zastępca dyrektora Laboratorium Metod Superkomputerowych Fizyki Materii Skondensowanej w MIT, powiedziała: „Aby znaleźć przyczynę tego nieoczekiwanego efektu, postanowiliśmy zbadać proces redukcji wysokotemperaturowego tlenku grafenu za pomocą superkomputerowych modeli atomowych i przeprowadzić dodatkowe badania zgodnie z eksperymentalnym projektem naszych kolegów.”
Pod wpływem impulsu lasera zaznaczone na czerwono atomy węgla na granicy arkusza grafenu „wypalają się”. B - W centralnym obszarze arkusza grafenu następuje wyżarzanie: grafen układa się w odpowiednią stabilną strukturę.
Naukowcy odkryli, że z jednej strony w wysokich temperaturach (T> 3000k) atomy tlenu w środowisku gazowym oddziałują z grafenem, utleniając go i niszcząc. Natomiast szybkie wyżarzanie sieci krystalicznej rozpoczyna się w tej samej temperaturze, co pozwala na eliminację defektów. Podczas wyżarzania struktura siatkowa raczej prostuje się niż rozpada.
Krzywe temperatury i stosunku I(G)/I(D) macierzy rGO zmniejszają się przy różnych prędkościach lasera i częstotliwościach powtarzania impulsów.
„Okazuje się, że w różnych miejscach materiału poddanego działaniu impulsów laserowych zachodzą jednocześnie dwa przeciwstawne procesy: spalanie lub niszczenie koncentruje się w pobliżu defektów i granic arkuszy grafenu, gdzie atomy węgla wykazują największą aktywność chemiczną, podczas wyżarzania zachodzi głównie w środku arkuszy, gdzie atomy mają tendencję do powracania do stabilnej konfiguracji. Stanislav Evlashin, główny pracownik naukowy w Centrum Technologii Materiałów (CMT) firmy Skoltech.
Odkrycia rzucają światło na zachowanie tlenku grafenu w ekstremalnych temperaturach, gdzie bezpośrednie eksperymenty są prawie niemożliwe. Zrozumienie procesu opisanego w tym artykule może pomóc w dalszym rozwoju i optymalizacji metod otrzymywania wysokiej jakości monokrystalicznego grafenu o dużej powierzchni.
Struktura atomowa (a) i schemat stanu termicznego (b) GO. Ewolucja w czasie całkowitej liczby atomowej (c), liczby atomowej węgla (d) i liczby atomowej tlenu (e) podczas symulacji w różnych temperaturach. Atomy węgla, tlenu i wodoru pokazano odpowiednio w kolorze niebieskim, czerwonym i szarym.
Źródło: Mechanizm redukcji laserem tlenku grafenu w warunkach otoczenia: Badanie eksperymentalne i ReaxFF, Carbon (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018;Sterowana laserowa redukcja warstw tlenku grafenu do zastosowań fotoelektronicznych, ACSApplied Materials & Interfaces (2016). DOI:10.1021/acsami.6b10145