Каталитический графен

Широкий спектр существующих методов получения графена способен удовлетворить запросы даже самого взыскательного исследователя. Он может отщепить его клейкой лентой, может получить CVD-методом, восстановлением оксида графена или, например, разложением карбидов на поверхности подложки. Однако в последнее время все большее внимание исследователи уделяют получению графена из твердых источников углерода, что продиктовано более высоким качеством образующегося графена. В частности, графен может быть получен из аморфного углерода при помощи пленок d-металлов, выступающих в качестве катализатора, о чем сообщил коллектив французских исследователей.

Для начала ученые нанесли тонкие слои железа, никеля, кобальта и меди на аморфный углерод. Отжиг при температуре выше 400^oС (для кобальта) и 500^oС (для никеля) вплоть до 600^oС приводит к сращиванию металлических кристаллитов за счет миграции и оствальдского созревания, и в конечном итоге приводит к образованию тонких металлических островов, оставляя аморфный углерод нетронутым. Однако при более высоких температурах в результате дополнительного созревания металлических «островков», высвобождающийся из-под их тонкого слоя аморфный углерод превращается в моно- и многослойный графен (рис.1).

Рис. 1. На рисунке схематически изображен процесс синтеза графена.

Для более детального исследования механизма образования графена авторы статьи использовали возможности электронной микроскопии, имитируя дополнительное созревание кристаллитов при температурах выше 600^oС. Для этого, авторы направляли электронный пучок на край металлического «острова», перемещая его в сторону от «островка». Вслед за пучком перемещается образующаяся металлическая ламель до тех пор, пока при определенной длине ламель не втянется «островком», из которого она исходит. После себя ламель оставляла графен шириной 10–20 нм и длиной 100–200 нм (рис.2).

Однако ученые убеждены, что графен образуется на всей поверхности, а не только под ламелью. В качестве доказательства, авторы статьи приводят видео, на котором показан процесс втягивания ламели при нагревании. Ученые обратили внимание, что положение примеси графита остается неизменным до и после втягивания, и на основании этого сделали вывод о том, что графен, удерживающий примесь графита, образовался еще до удаления ламели.

Рис. 2. а) Кристаллит никеля до начала образования ламели. b) Образование ламели под воздействием электронного пучка. c) Втягивание ламели при температуре 560^oС. d)-f) Втягивание ламели кристаллита кобальта спустя 1 с (d), 159 с (e) и 196 с (f). Дифрактограммы I и II подтверждают присутствие аморфного углерода и графена соответственно. g) Образование двухслойного графена после втягивания ламели кристаллита никеля при температуре 720^oС.

Любопытно, что толщину образующегося графена можно варьировать, варьируя используемый катализатор. Причем ключевым фактором является растворимость углерода в металле – с ростом растворимости растет и толщина графена. Так, в случае железа образуется графен, состоящий из наибольшего числа слоев, а в случае меди графен не образуется вовсе.

Источник(и):

1. nanometer.ru