Получение графена

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Методы получения графена разделяют на три класса по возможным областям применения[1]:

  1. композитные материалы, проводящие чернила и т. п.;
  2. графен низкого качества для электронных приложений;
  3. графен высокого качества для электронных приложений.

Для первого класса, обычно получаемого химическим расщеплением, характерны размеры графена в сотни нанометров, а восстановленные химическими методами из оксидов графена и графита плёнки имеют размер порядка 100 микрон. Такие кристаллы не подходят для транспортных измерений, так как их подвижность низка, но их можно производить в больших количествах. Для третьего класса методов, в которые включается и механическое расщепление размеры монокристаллов составляют около миллиметра и образцы применяются в исследовательских лабораториях благодаря высокой подвижности носителей тока. Для этого класса методов не существует массового производства. Второй класс методов получение графена занимает промежуточное положение как по размерам монокристаллов, так и по подвижности, благодаря чему часто используется в лабораториях и обладает потенциалом для применения в промышленности[1].

Механические методы[править | править код]

⚙️  Графен
Уравнение Дирака для графена
Физика графена

Математическая формулировка …

См. также: Портал:Физика
Рис. 1. Кусочки тонких слоёв графита, полученные в процессе отшелушивания, на поверхности липкой ленты.

При механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит[2] можно получить плёнки графена вплоть до ~100 мкм[3]. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют раз за разом плёнки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в заранее известных местах подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм)[4]. Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину плёнки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена). Графен можно также определить при помощи рамановского рассеяния света[5] или измерением квантового эффекта Холла[2][6]. Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).

Альтернативный метод предложен в работе[7]. Метод заключается в том, что окисленную подложку кремния покрывают эпоксидным клеем (в работе использовался слой толщиной ~10 мкм) и тонкую пластинку графита прижимают к клею при помощи пресса. После удаления графитовой пластинки с помощью липкой ленты на поверхности клея остаются области с графеном и графитом. Толщину графита определяли с помощью комбинационного рассеяния света и атомно-силовым микроскопом измеряли шероховатость графена, которая оказалась равной всего 0.16 нм (в два раза меньше шероховатости графена на подложке кремния[8]).

В статье[9] предложен метод печати графеновых электрических схем (ранее этот метод использовался для печати тонкоплёночных транзисторов на основе нанотрубок и для органической электроники.[10][11]). Сам процесс печати состоит из последовательного переноса с подложки Si/SiO2 золотых контактов, графена и наконец диэлектрика (PMMA) с металлическим затвором на прозрачную подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) предварительно нагретую выше температуры размягчения до 170 °C, благодаря чему контакты вдавливаются в ПЭТФ, а графен приобретает хороший контакт с материалом подложки. При таком методе нанесения графена подвижность не становится меньше, хотя и появляется заметная асимметрия между электронной (μe=10000 см2В−1с−1) и дырочной (μh=4000 см2В−1с−1) областями проводимости. Этот метод пригоден для нанесения графена на любую подложку, пригодную, в частности, для оптических измерений.

Химические методы[править | править код]

Рис. 2. Слои интеркалированного графита можно легко отделить друг от друга[12]

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы[13]. Для начала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и азотной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита[14][15][16].

В статьях[17][18] описан ещё один химический метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу.

Эпитаксия и разложение[править | править код]

Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD)[19] и рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT)[20]. Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Работы[21][22] посвящены получению графена, выращенного на подложках карбида кремния SiC(0001). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность — в первом случае качество плёнок выше. В работах[23][24] та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

Графен можно вырастить на металлических подложках рутения[25] и иридия[26].

Другие методы[править | править код]

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить между электродами, то, как показано в работе[27], можно добиться того, что кусочки графита с поверхности, среди которых могут оказаться плёнки атомарной толщины, под действием электрического поля могут перемещаться на подложку окисленного кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластину слюды.

Некоторая комбинация механического метода (графитовым стержнем пишут по поверхности подложки кремния, оставляя плёнки при разрушении) и последующего высокотемпературного отжига (~1100 K) использована для получения тонких слоёв графита вплоть до однослойных плёнок[28].

См. также[править | править код]

Ссылки[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 Novoselov K. S., Fal'ko V. I., Colombo L., Gellert P. R., Schwab M. G., Kim K. Дорожная карта для графена (англ.) = A roadmap for graphene // Nature. — 2012. — Vol. 490. — P. 192—200. — DOI:10.1038/nature11458.
  2. 1 2 Zhang Y.et. al. «Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene» Nature 438, 201 (2005) DOI:10.1038/nature04235
  3. Kuzmenko A. B. cond-mat/0810.2400
  4. Novoselov, K. S. et al. «Two-dimensional atomic crystals», PNAS 102, 10451 (2005) DOI:10.1073/pnas.0502848102
  5. Ferrari A. C. et. al. Raman Spectrum of Graphene and Graphene Layers Phys. Rev. Lett. 97, 187401 (2006) DOI:10.1103/PhysRevLett.97.187401
  6. Novoselov K. S. et al. «Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene», Nature 438, 197 (2005) DOI:10.1038/nature04233
  7. Huc V., et. al. Large and flat graphene flakes produced by epoxy bonding and reverse exfoliation of highly oriented pyrolytic graphite Nanotechnology 19, 455601 (2008) DOI:10.1088/0957-4484/19/45/455601 Препринт
  8. Ishigami M. et. al. Atomic Structure of Graphene on SiO2 Nano Lett., 7, 1643, (2007) DOI:10.1021/nl070613a
  9. Chen J.-H. et. al. Printed Graphene Circuits Adv. Mater. 19, 3623 (2007) DOI:10.1002/adma.200701059 Препринт
  10. Hines D. R. et. al. Nanotransfer printing of organic and carbon nanotube thin-film transistors on plastic substrates Appl. Phys. Lett. 86, 163101 (2005) DOI:10.1063/1.1901809
  11. Hines D. R. et. al. Transfer printing methods for the fabrication of flexible organic electronics Appl. Phys. 101, 024503 (2007) DOI:10.1063/1.2403836
  12. Shioyama H. Cleavage of graphite to graphene J. Mat. Sci. Lett. 20, 499—500 (2001)
  13. Solution Properties of Graphite and Graphene Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(24) pp 7720 — 7721; (Communication) DOI:10.1021/ja060680r
  14. Bunch J. S. et al. Coulomb Oscillations and Hall Effect in Quasi-2D Graphite Quantum Dots Nano Lett. 5, 287 (2005) DOI:10.1021/nl048111+
  15. Li X. et. al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir-Blodgett films Nature Nanotechnology 3, 538 (2008) DOI:10.1038/nnano.2008.210
  16. Hernandez Y. et. al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite Nature Nanotech. 3, 563 (2008) DOI:10.1038/nnano.2008.215
  17. Stankovich S. et al. «Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly(sodium 4-styrenesulfonate)», J. Mater. Chem. 16, 155 (2006) DOI:10.1039/b512799h
  18. Stankovich S. et al. «Graphene-based composite materials», Nature 442, 282 (2006) DOI:10.1038/nature04969
  19. Wang J. J. et. al. Free-standing subnanometer graphite sheets Appl. Phys. Lett. 85, 1265 (2004) DOI:10.1063/1.1782253
  20. Parvizi F., et. al. Graphene Synthesis via the High Pressure — High Temperature Growth Process Micro Nano Lett., 3, 29 (2008) DOI:10.1049/mnl:20070074 Препринт
  21. Rollings E. et. al. Synthesis and characterization of atomically thin graphite films on a silicon carbide substrate J. Phys. Chem. Solids 67, 2172 (2006) DOI:10.1016/j.jpcs.2006.05.010
  22. Hass J. et. al. Highly ordered graphene for two dimensional electronics Appl. Phys. Lett. 89, 143106 (2006) DOI:10.1063/1.2358299
  23. Berger, C. et al. «Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene», Science 312, 1191 (2006) DOI:10.1126/science.1125925
  24. J. Hass et. al. Why Multilayer Graphene on 4H-SiC(000-1) Behaves Like a Single Sheet of Graphene Phys. Rev. Lett. 100, 125504 (2008).
  25. Sutter P. W. et. al. Epitaxial graphene on ruthenium Nature Mat. 7, 406 (2008) DOI:10.1038/nmat2166
  26. N’Diaye A. T. et. al. Structure of epitaxial graphene on Ir(111) New J. Phys. 10, 043033 (2008) DOI:10.1088/1367-2630/10/4/043033
  27. Sidorov A. N. et al., Electrostatic deposition of graphene, Nanotechnology 18, 135301 (2007) DOI:10.1088/0957-4484/18/13/135301
  28. Banerjee A. and Grebel H. Depositing graphene films on solid and perforated substrates, Nanotechnology 19, 365303 (2008) DOI:10.1088/0957-4484/19/36/365303