Nahoře: grafen na okrajích shoří. Dole: Uprostřed listu vysoká teplota ale opraví defekty. Credit: N.D. Orekhov et al

Třikrát grafen: laserové ladění, twistony a syntéza z oxidu uhelnatého

Výroba velkoplošného grafenu, který by byl dostatečně kvalitní a současně levný, představuje stále problém. Možné řešení je začít od běžného grafitu a z něj nejdřív vyrobit oxid grafenu. Již před několika lety se podařilo přeměnit oxid grafenu na grafen zahřátím materiálu na 3 500 – 3 800 K pomocí laserových pulzů, a to v běžné atmosféře. Překvapivé na tom bylo už to, že uhlík při těchto teplotách prostě neshořel. Další zkoumání tohoto jevu na Skoltechu vedlo nyní k závěru, že při teplotách nad 3 000 K navíc probíhá rychlé žíhání krystalové mřížky, které umožňuje odstranit defekty a zvýšit kvalitu výsledného grafenu. Během žíhání se struktura mřížky narovná a přitom nerozpadne. Samozřejmě ale může dojít i k oxidaci. Ta probíhá přednostně v blízkosti defektů a okrajů grafenových listů, kde jsou atomy uhlíku nejaktivnější, naopak k žíhání dochází přednostně uprostřed materiálu. Oba procesy probíhají vedle sebe, nicméně se ukazuje, že tímto způsobem získávat velkoplošný a přitom vysoce kvalitní grafen opravdu lze. Ohřev pochopitelně musí být dostatečně krátký, jinak se spálí vše.

N.D. Orekhov et al, Mechanism of graphene oxide laser reduction at ambient conditions: Experimental and ReaxFF study, Carbon (2022). DOI: 10.1016/j.carbon.2022.02.018
Stanislav Evlashin et al, Controllable Laser Reduction of Graphene Oxide Films for Photoelectronic Applications, ACS Applied Materials & Interfaces (2016). DOI: 10.1021/acsami.6b10145

Novinka č. 2. Tým vědců (Skoltech, MIPT, RAS Institute of Solid State Physics, Aalto University) navrhuje nový postup syntézy grafenu, tentokrát z oxidu uhelnatého. Samotná myšlenka není nová. Při výrobě grafenu chemickou depozicí z par (CVD) slouží jako zdroj uhlíku nějaký plyn. Ve vakuové komoře za vysokých teplot dochází k rozkladu plynu a monoatomární (v ideálním případě) vrstva uhlíku se usazuje na nějakém substrátu, nejčastěji mědi. Jako plyn se používá obvykle metan, ale třeba i acetylen, propan nebo ethanol.
První pokusy získávat grafen z oxidu uhelnatého příliš úspěšné nebyly, nyní se však údajně podařilo technologii odladit a připravovat takto grafen vysoké kvality. Výhoda syntézy grafenu z CO má podle autorů výzkumu spočívat v tzv. sebeomezení (self-limiting). Při vysokých teplotách mají molekuly oxidu uhelnatého v těsné blízkosti měděného substrátu tendenci se rozpadat. Jakmile se však nanese první vrstva krystalického uhlíku a oddělí plyn od substrátu, rozpad skončí, takže proces přirozeně podporuje vznik monovrstvy. (Poznámka: Jednoduše je to asi tak, že rozklad katalyzuje měď, a jakmile se kov pokryje…)
Výhoda oxidu uhelnatého spočívá v tom, že neobsahuje vodík; ten může při rozkladu uhlovodíků způsobovat technické problémy (je hořlavý, výbušný apod.). Z tohoto důvodu může proces s CO probíhat i bez vakua, takže výroba grafenu by takto byla mnohem jednodušší a levnější.
Zajímavé je také využití kompozitu měď-grafen, tj. materiál se nemusí od substrátu oddělovat. V tomto případě má kompozit vzniklý z CO údajně lepší vlastnosti než při výrobě grafenu z metanu. A nakonec, pozoruhodné vlastnosti by mohl mít i grafen na jiných kovech, speciálně bylo v této souvislosti zmíněno ruthenium a palladium.

Artem K. Grebenko et al, High‐Quality Graphene Using Boudouard Reaction, Advanced Science (2022). DOI: 10.1002/advs.202200217

A grafen do třetice. Vědci z Columbia University se zaměřili na zkoumání třívrstvého grafenu. Ten má být z hlediska vysokoteplotní supravodivosti nadějnější než grafen dvojvrstvý, a to včetně dvojvrstvy pootočené o magický úhel 1,1 °C (poznámka: magický úhel se využívá i u třívrstvého grafenu).
Pomocí mikroskopie až na úroveň jednotlivých atomů vědci zjistili, že ve třívrstvém grafenu se atomy na některých místech formují do struktur nazvaných twistony. Uspořádání twistonů pak způsobuje, že systém je stabilizován a lépe si udržuje magické úhly. To je důležité, protože zde i drobná odchylka může zcela změnit vlastnosti materiálu a supravodivost zmizí. Při výrobě dvouvrstvého grafenu tak potřebnou funkčnost získá jen malý podíl „zařízení“.
V tuto chvíli nejde ani tak o to, že by se třívrstvý grafen začal jako supravodič tímto způsobem vyrábět pro průmysl, ale lze na něm celý jev mnohem snáze zkoumat než ve 2 vrstvách, čili by se mohly zjednodušit a zrychlit další laboratorní experimenty… Twistony by také mohlo jít nějak „řídit“, respektive „ladit“ a tím dále měnit vlastnosti materiálu…

Simon Turkel, Joshua Swann, et al. Orderly disorder in magic-angle twisted trilayer graphene. Science 376, 193-199 (2022) DOI: 10.1126/science.abk1895

Zdroj: Skolkovo Institute of Science and Technology, Columbia University Quantum Initiative, Phys.org

Jak vylepšit tepelné štíty?

Tepelný štít je součást kosmické lodi, družice či sondy, která má obránit lidi či náklad …

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close