Ученые и инженеры из Университета Висконсин-Милуоки (UWM) обнаружили совершенно новый материал на основе углерода, который синтезируется из графена, «вундеркинда» из семейства углеродов. Открытие, которое исследователи называют «окисью графена (ГМО)», приближает углеродные материалы к созданию электроники следующего поколения.
Графен, слой углерода толщиной в один атом, который напоминает плоский лист куриной сетки в наномасштабе, может произвести революцию в электронике, поскольку он проводит электричество намного лучше, чем золотые и медные провода, используемые в современных устройствах. Транзисторы, сделанные из кремния, приближаются к минимальному размеру, при котором они могут быть эффективными, а это означает, что скорость устройств скоро упадет до предела. Углеродные материалы в наномасштабе могут стать лекарством.
В настоящее время применение графена ограничено, потому что его массовое производство слишком дорого. Другая проблема заключается в том, что до сих пор материалы на основе графена существовали только как проводники или изоляторы.
«Основным направлением в сообществе исследователей графена является превращение материала в полупроводник, чтобы его можно было использовать в электронных приложениях», - говорит Джунхонг Чен, профессор машиностроения и соавтор статьи в журнале ACS Nano. «Наш основной вклад в это исследование был достигнут за счет химической модификации графена».
ГМО обладает характеристиками, которые облегчат его масштабирование по сравнению с графеном. И, подобно кремнию в электронике нынешнего поколения, ГМО является полупроводником, необходимым для управления электрическим током в таком сильном проводнике, как графен. Теперь все три характеристики электропроводности - проводящая, изолирующая и полупроводниковая - присутствуют в семействе углеродов, что обеспечивает необходимую совместимость для использования в электронике будущего.
Теория смешения и эксперименты
Команда создала ГМО, проводя исследование поведения гибридного наноматериала, разработанного Ченом, который состоит из углеродных нанотрубок (по сути, графена, свернутого в цилиндр), украшенных наночастицами оксида олова. Чен использует свой гибридный материал для изготовления высокопроизводительных, энергоэффективных и недорогих датчиков.
Чтобы получить изображение гибридного материала в том виде, в котором он ощущался, он и профессор физики Мария Гайдардзиска использовали просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения (HRTEM). Но чтобы объяснить, что происходит, паре нужно было знать, какие молекулы прикрепляются к поверхности нанотрубки, какие прикрепляются к поверхности оксида олова и как они изменяются при прикреплении..
Итак, пара обратилась к профессору физики Кэрол Хиршмугль, которая недавно впервые применила метод инфракрасного изображения (ИК), который не только предлагает изображения образцов высокой четкости, но и создает химическую «сигнатуру», которая определяет, какие атомы являются взаимодействуют по мере того, как происходит ощущение.
Чен и Гайдардзиска знали, что им потребуется изучить больше мест прикрепления, чем имеется на поверхности углеродной нанотрубки. Поэтому они «развернули» нанотрубку в лист графена, чтобы увеличить площадь.
Это побудило их искать способы получения графена из его двоюродного брата, оксида графена (GO), изолятора, который можно недорого увеличить. GO состоит из слоев графена, уложенных друг на друга в невыровненной ориентации. Это предмет многих исследований, поскольку ученые ищут более дешевые способы воспроизвести превосходные свойства графена.
Непонятный исход
В одном эксперименте они нагревали GO в вакууме, чтобы уменьшить содержание кислорода. Однако вместо того, чтобы разрушиться, атомы углерода и кислорода в слоях ОГ выровнялись, превратившись в «упорядоченный» полупроводниковый ГМО - оксид углерода, которого не существует в природе.
Это был не тот результат, которого они ожидали.
«Мы думали, что кислород уйдет и оставит многослойный графен, поэтому наблюдение чего-то другого было неожиданностью», - говорит Эрик Маттсон, докторант Хиршмугля, который является первым автором статьи.
При различных высоких температурах команда фактически произвела четыре новых материала, которые они в совокупности называют ГМО. Они сняли видео процесса с помощью электронной дифракции на выбранной области (SAED) в просвечивающем электронном микроскопе.
Поскольку ГМО образуется в виде отдельных листов, Гайдардзиска говорит, что этот материал может найти применение в продуктах, использующих поверхностный катализ. Она, Хиршмугль и Чен также изучают возможность его использования в анодных частях литий-ионных аккумуляторов, что может сделать их более эффективными.
Трудоемкий процесс
Но следующий шаг - больше науки. Команде нужно будет выяснить, что вызвало реорганизацию материала, а также какие условия могут разрушить формирование ГМО.
«В процессе восстановления вы ожидаете потери кислорода», - говорит Майкл Вейнерт, профессор физики и директор Лаборатории исследования поверхности UWM. «Но на самом деле мы получили больше кислорода. Так что мы находимся в той точке, когда мы все еще узнаем об этом больше». Вейнерт отмечает, что они производили ГМО только в небольших масштабах в лаборатории и не уверены, с чем они столкнутся при увеличении масштабов.
Команде пришлось быть осторожной при расчете того, как электроны проходят через ГМО, добавляет он. Возникающие взаимодействия необходимо было интерпретировать с помощью кропотливого процесса отслеживания индикаторов структуры, а затем исключения тех, которые не подходили.
"Это был долгий процесс, - говорит Вайнерт, - ни одного из этих "Эврика!" моменты."