ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА

​STUDY OF THE PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF GRAPHENE-BASED NANOMATERIALS

Ayaulym Sharipova

master's student of the educational program "Chemical technology of organic substances", Almaty Technological University,

Republic of Kazakhstan, Almaty

Maria Suleimenova

scientific supervisor, Candidate of Chemical Sciences, Almaty Technological University,

Republic of Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В настоящее время создание новых наноразмерных материалов и расширение областей их эффективного применения достаточно перспективно, что подтверждается многочисленными исследованиями и обширным опытом использования наноматериалов в различных областях техники. В данной статье представлены данные по изучению способов получения новых наноматериалов на основе графена. В ходе работы сконструирована установка для получения графена на медной подложке. Разработаны методы переноса графена на кремниевую подложку, покрытую термооксидом. Все полученные образцы исследованы с помощью оптической микроскопии и рамановской спектроскопии. Образцы характеризуются как однослойные с участками двухслойности, процент двухслойности не более 20%.

ABSTRACT

Currently, the creation of new nanoscale materials and the expansion of their effective application areas is quite promising, which is confirmed by numerous studies and extensive experience in the use of nanomaterials in various fields of technology. This article presents data on the study of methods for obtaining new graphene-based nanomaterials. In the course of the work, an installation was designed to produce graphene on a copper substrate. Methods for transferring graphene to a silicon substrate coated with thermoxide have been developed. All the obtained samples were examined using optical microscopy and Raman spectroscopy. The samples are characterized as single-layered with double-layered sections, the percentage of double-layered is not more than 20%.

Ключевые слова: графен, материалы на основе графена, CVD (химическое осаждение из паровой фазы), синтез графена, рамановская спектроскопия.

Keywords: graphene, graphene-based materials, CVD (Chemical Vapor Deposition), synthesis of graphene, raman spectroscopy.

Введение

Графен - это единственный аллотроп углерода, в котором каждый атом тесно связан с соседними атомами уникальным облаком электронов. В связи с этим возникает несколько интересных вопросов для квантовой физики. Сам графен можно найти в нескольких различных формах, таких как нановолокна, пленки, наночастицы и трехмерные структуры. У каждого из них есть уникальные области применения.

Как упоминалось выше, электронные и квантовые свойства графена продолжают оставаться в центре внимания фундаментальных исследований. Каждый атом в графене имеет sp²-гибридизацию, при которой три связи соединены с различными атомами углерода. В гексагональной фазе три атома углерода присоединяются друг к другу, и все они гибридизуются, на каждый атом углерода приходится по одному свободному электрону. Pz-орбиталь удерживает этот свободный электрон, а p-орбиталь расположена над плоскостью, создавая p -связь. Интересно, что pz-орбиталь графена играет важную роль в химических и физических свойствах этого замечательного материала.

Существование состояния нулевого диапазона является недостатком, но оно также представляет собой уникальную характеристику графена, открывая несколько новых возможностей для разработки искусственных материалов с индивидуальными свойствами, которые могут быть использованы при расчете устройств следующего поколения.

Графен - это двумерный материал, состоящий из одноатомного слоя атомов углерода, расположенных в виде ячеистой решетки. Каждый атом в решетке связан со своими шестью ближайшими соседями, образуя шестиугольную элементарную ячейку. Это уникальное расположение атомов придает графену его отличительные свойства и делает его перспективным материалом для широкого спектра применений.

В связи с низкой производительностью производства графена микромеханическим методом, что обусловлено небольшими размерами получаемых образцов, были предложены другие методы получения материала. Одним из таких методов является химическое осаждение из газовой фазы [1].

В то же время, согласно литературным данным, свойства графена могут в значительной степени зависеть от подложки. Металлические подложки (Ni и Cu) оказывают сильное влияние из-за взаимодействия графена и металла [2]. Это может привести к механическим напряжениям в решетке графена, которые могут повлиять на его свойства.

Синтез графена с использованием химического осаждения из газовой фазы на медные подложки часто используется в экспериментальных работах [3]. Однако важно разделять эффекты процесса синтеза и непосредственное влияние подложки на свойства графена. Это необходимо для уточнения методов определения характеристик графена после синтеза и для обеспечения того, чтобы он соответствовал строгим требованиям практического применения. Благодаря своей универсальности и способности определять различные свойства материалов, рамановская спектроскопия является популярным неразрушающим методом для определения характеристик углеродных наноматериалов [4]. Оптическая микроскопия также является полезным инструментом для изучения частиц, которые трудно различить невооруженным глазом.

Целью данной работы является получение и исследование структурных свойств графена, выращенного на медных подложках, и как вариант перенесенного на другие подложки осаждением с использованием рамановской спектроскопии и оптической микроскопии.

Получение графена CVD методом

Синтез проводился в реакторе вертикального типа с холодными стенками методом CVD, разработанном компанией ООО «Русграфен» (рис. 1).

В качестве катализатора использовалась медная фольга 30 мкм. В качестве источника углерода - метан. На первом этапе процесса проводили нагревание с помощью потока газа, состоящего из Ar и H₂ до температуры 890 °C в течение 90 минут. На этапе синтеза в камеру подается рабочая смесь газов Ar/H₂/CH₄ при различных температурах (от 930 до 980 °C), составе газовой смеси и времени выдержки (15 минут). Этап охлаждения образца завершает процесс синтеза графена. С помощью оптического микроскопа определяется образование слоя графена на медных подложках.

а)

б)

Рисунок 1 Изображения оптического микроскопа (а) и рамановской спектроскопии (б) образца графена на медной фольге после процесса синтеза методом CVD в реакторе вертикального типа с холодными стенками.

Процесс переноса графена с медной подложки на подложку из оксида кремния

После синтеза переноса графена с медной подложки на подложку из оксида кремния осуществлялось методом нанесения покрытия ПММА (рис.2).

Рисунок 2. Изображения оптического микроскопа и рамановской спектроскопии образца графена после переноса на поверхность SiO₂ / Si толщиной 285 нм

Одна сторона медного катализатора с графеном покрывалась полимером ПMMA, а вторая обрабатывалась в кислородной плазме для удаления слоя графена с противоположной стороны. После этого образец меди ускоряли со скоростью 300 оборотов в секунду до 1500 об/мин и поддерживали скорость 1500 об/мин в течение 1 минуты. Затем катализатор стравливался в водном растворе персульфата аммония.

После травления осуществлялся перенос на целевую подложку кремния с термическим окислом 285 нм и сушилось при температуре 60°C в течение 1 часа, после чего кремниевую пластину нагревали до 190°C. ПММА с поверхности графена удаляли растворением в ацетоне и изопропиловым спирте с последующей промывкой дистиллированной водой. Анализ графенового покрытия, нанесенного на поверхность кремния, проводили с помощью оптической микроскопии и рамановской спектроскопии.

Заключение

В спектрах комбинационного рассеяния света образцов графена, выращенных на меди, замечено, что положения линий G и D смещены в сторону более высоких частот. В частности, линия G появляется при 1582 см⁻¹, а линия D − при 2734 см^-1. После переноса графена на подложку из оксида кремния эти линии появляются при 1580 см⁻¹ для линии G и 2688 см⁻¹ для линии d. Образцы характеризуются как однослойные с участками двухслойности. Процент двухслойности не больше 20%.

В ходе работы сконструирована установка для получения графена и крупномасштабных графеновых структур на медной подложке. Разработаны методы переноса графена на другие подложки, в частности на кремниевую подложку, покрытую термооксидом. Все полученные образцы исследованы с помощью оптической микроскопии и рамановской спектроскопии. Данные  собраны и сопоставлены с результатами других исследователей, работающих с графеном и подобными материалами.

Список литературы:

1. Nguyen-Tri P., Nguyen T.A., Carriere P., Xuan C.N. (2018), «Nanocomposite coatings: preparation, characterization, properties, and applications.».International Journal of Corrosion, Article ID 4749501, 19, DOI 10.1155/2018/4749501.
2. Shin H, Yoon S-M, Choi WM, Park S, Lee D, Song IY, et al. Influence of Cu crystallographic orientation on electron transport in graphene. Applied Physics Letters. 2013;102:163102. DOI: 10.1063/1.4802719.
3. Park H.J., Meyer J., Roth S., Skakalova V. Growth and properties of few-layer graphene prepared by chemical vapor deposition// Carbon. – 2010. -Vol.48. – Р.1088-1094.
4. Ferrari AC, Basko DM. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nature Nanotechnology.