Zinātnieki ir atklājuši, kāpēc grafēna oksīds ne tikai deg augstā temperatūrā, bet arī paver iespējas daudzsološai un lētai grafēna ražošanas metodei. Pētījums ir publicēts žurnālā Carbon.
Ir pagājuši vairāk nekā desmit gadi kopš Nobela prēmijas piešķiršanas par eksperimentāliem grafēna pētījumiem, taču zinātnieki joprojām nav atraduši veidu, kā iegūt augstas kvalitātes lielas platības grafēnu, kas būtu pietiekami lēts, efektīvs un mērogojams, lai atbilstu rūpnieciskajiem. vajadzībām. Grafēna reducēšana no grafēna oksīda ar lāzera apstarošanu, šķiet, ir daudzsološa pieeja: izmantojot ķīmiskas metodes grafēna oksīda sagatavošanai no parastā grafīta, lāzera palīdzību reducēšanas tehnoloģijai ir liels solījums izmaksu un materiālu kvalitātes kontrolējamības ziņā.
Pirms dažiem gadiem Skoltech pētnieku komanda atklāja, ka grafēna oksīdu pat atmosfēras apstākļos var uzsildīt līdz 3300-3800 K, lai iegūtu diezgan augstas kvalitātes grafēnu.
Ņikita Orehovs sacīja: "Šis rezultāts pārsteidza mūsu kolēģus: temperatūra bija ļoti augsta, bet viņi ieguva labi strukturētu materiālu. Oglekļa materiāli viegli sadedzina atmosfēras skābeklī pie 600-800 K vai augstākā, savukārt eksperimentos augstākā temperatūrā grafēns sasniedz labas strukturālās īpašības." Ņikita Orehovs, MIT Kondensētās vielas fizikas superdatoru metožu laboratorijas asociētais direktors, sacīja: "Lai noskaidrotu šīs negaidītās ietekmes cēloni, mēs nolēmām izpētīt augstas temperatūras grafēna oksīda reducēšanas procesu, izmantojot superdatoru atomu modeļus, un veikt papildu pētījumi pēc mūsu kolēģu eksperimentālā dizaina."
Lāzera impulsa ietekmē sarkani iezīmētie oglekļa atomi pie grafēna loksnes robežas "izdeg". B - Grafēna loksnes centrālajā reģionā notiek atkausēšana: grafēns ir sakārtots pareizā stabilā struktūrā.
Pētnieki atklāja, ka, no vienas puses, augstā temperatūrā (T> 3000k) skābekļa atomi gāzes vidē mijiedarbojas ar grafēnu, to oksidējot un iznīcinot. No otras puses, kristāla režģa ātrā atkausēšana sākas tajā pašā temperatūrā, kas ļauj novērst defektus. Atkausēšanas laikā režģa struktūra iztaisnojas, nevis sadalās.
RGO masīva temperatūras un I(G)/I(D) attiecību līknes samazinās pie dažādiem lāzera ātrumiem un impulsu atkārtošanās ātrumiem.
"Izrādās, ka dažādās lāzerimpulsu iedarbībai pakļautā materiāla vietās vienlaicīgi notiek divi pretēji procesi: degšana vai iznīcināšana koncentrējas grafēna lokšņu defektu un robežu tuvumā, kur oglekļa atomiem ir visaktīvākā ķīmiskā aktivitāte, atkvēlinot. notiek galvenokārt lokšņu centrā, kur atomi mēdz atgriezties pie stabilas konfigurācijas." Staņislavs Evlašins, Skoltech Materiālu tehnoloģiju centra (CMT) galvenais pētnieks.
Rezultāti atklāj, kā grafēna oksīds uzvedas ekstremālās temperatūrās, kur tieši eksperimenti ir gandrīz neiespējami. Izpratne par šajā rakstā aprakstīto procesu var palīdzēt tālāk attīstīt un optimizēt metodes liela laukuma viena kristāla augstas kvalitātes grafēna iegūšanai.
GO atomu struktūra (a) un termiskā stāvokļa shēma (b). Kopējā atomu skaita (c), oglekļa atomu skaita (d) un skābekļa atomu skaita (e) laika evolūcija simulācijas laikā dažādās temperatūrās. Oglekļa, skābekļa un ūdeņraža atomi ir parādīti attiecīgi zilā, sarkanā un pelēkā krāsā.
Avots: Grafēna oksīda lāzera samazināšanas mehānisms apkārtējās vides apstākļos: Eksperimentāls un ReaxFF pētījums, Carbon (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018;Grafēna oksīda plēvju vadāma lāzerreducēšana fotoelektroniskiem lietojumiem, ACSAlietotie materiāli un saskarnes (2016). DOI:10.1021/acsami.6b10145