5 апреля 2014 в 18:47

Корейские учёные разработали революционную технологию производства графена

Хотя графен состоит из широко распространённого в природе углерода, он очень дорог, так как до сих пор не изобретены способы его получения в промышленных масштабах. Относительно просто можно получить лишь мельчайшие чешуйки графена. Большой однослойный лист монокристаллического графена, пригодный для дальнейшего использования в микроэлектронике — пока что недостижимая цель.

Тем не менее, похоже, что прорыв не за горами. Всего несколько месяцев назад в исследовательском центре IBM имени Томаса Уотсона научились получать 10-сантиметровые листы графена. А 3-го апреля этого года в журнале Science были опубликованы результаты совместного исследования учёных из института передовых технологий Самсунг и университета Сонгюнгван (Южная Корея), в которой описан ещё один метод получения больших листов графена с идеальной структурой, потенциально пригодный для массового производства.

Основная проблема выращивания графена — наличие областей с разной ориентацией кристаллической решётки, на стыках которых образуются дефекты. Этой проблемы можно было бы избежать, если выращивать большой лист графена из одного-единственного центра кристаллизации, но это очень трудно реализовать на практике. Корейские учёные нашли способ осуществлять кристаллизацию графена так, чтобы все области, в которых началась кристаллизация, были ориентированы одинаково и срастались в единое целое без дефектов. Ключевой элемент новой технологии — специально обработанная подложка.


Отдельные области графена срастаются в единый лист (вверху — схема, внизу — изображения с микроскопа)

В её основе лежит обычная кремниевая пластина, использующаяся для производства микрочипов. Она покрывается тонким слоем монокристаллического германия, а затем её поверхность обрабатывается 10% водным раствором фтороводорода (плавиковой кислотой). Кислота растворяет оксидную плёнку на поверхности германия и образует вместо неё слой атомов водорода. Такая подложка обладает двумя очень важными свойствами.

Во-первых, кристаллическая решётка германия служит своего рода шаблоном для осаждающихся атомов углерода — все центры кристаллизации оказываются ориентированными одинаково, и в последствии идеально срастаются. Во-вторых, она обладает низкой адгезией с графеном — это позволяет легко разглаживаться складкам, образовавшимся в местах стыка разных областей графена или из-за различий в коэффициенте температурного расширения графена и германия. Низкая адгезия так же позволяет легко отделять лист графена от подложки, не повреждая её. Во многих других способах получения графена подложку приходится растворять. Это делает производство невыгодным, так как создание идеально ровной и чистой подложки само по себе дорого.


А) Начало осаждения углерода; B) образование отдельных областей графена; C) области срастаются в одно целое; D) готовый лист графена. Чёрным обозначены атомы углерода, оранжевым — германия, синим — водорода.

Источником атомов углерода служит метан. Осаждение углерода на подложку происходит при температуре 900 — 930 градусов Цельсия и давлении около 13% атмосферного в течение времени от 5 до 120 минут. Электронная микроскопия подтвердила отсутствие дефектов и нерегулряностей в структуре листа графена. Из синтезированного таким образом графена учёные успешно изготовили полевой транзистор. Сотрудники лаборатории Самсунг заявили, что разработанная технология — «один из самых значительных прорывов в истории исследований графена». Они считают, что это открытие значительно ускорит промышленное освоение графена и откроет новую эру в электронике.

Илья Сименко @ilya42
карма
469,7
рейтинг 0,0
full stack javascript developer
Самое читаемое

Комментарии (65)

  • 0
    Молодцы, хорошие ребята. А главное — умные.
  • +33
    А мы ждём трос для космического лифта.
    • +1
      Только проще на Луне лифт сделать, а не на Земле.
      • +1
        Где-то читал, что проще начать строить из точки равновесия между Землёй и Луной.
        • +3
          Это верно. НО там нет углерода. А доставить его туда не так просто.
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • +1
          Рядом с Землей полно спутников и космического мусора. Теоретически, если тросом не управлять (не уклонять от столкновений), то гарантированно столкновение со всеми спутниками. Как трос латать?

          Космический лифт на Луне позволит организовать доставку полезных ископаемых.
          • 0
            Разве трос не достаточно мал в диаметре, а плотность мусора и спутников мала, чтобы вероятность столкновения была крайне мала?
            • +2
              > в диаметре

              Есть смысл делать его не круглым, а в виде широкой ленты, а то и не одной.
            • +2
              Проблема в том, что трос у нас может и не очень толстый, но уж дюже длинный, а вероятность столкновения зависит от площади сечения объекта. Даже если посчитать, что у троса диаметр в сантиметр (меньше уж вряд ли получится) вероятность того, что за один виток один спутник в него врежется равна грубо 0.0000001%. Кажется — мизер, но мусора вокруг Земли летает немало: сотни тысяч объектов. Это даёт нам уже вероятность столкновения в 0.02%, что вроде тоже как немного, но за год типичный спутник наматывает несколько тысяч витков, так что вероятность того, что за год в это сооружение что-то врежется равна 60%. А если толщина троса (что более вероятно) будет не сантиметр, а больше, то там уже дни между столкновениями нужно будет считать.

              В общем нужна активная защита, как ни крути.
      • +2
        А какой от него толк на Луне, если нам с Земли взлетать надо?
        • +2
          Космический лифт на Луне позволит относительно дешево доставлять полезные ископаемые на Землю. Т.е. будет коммерческий интерес колонизировать Луну.
          • +3
            Увы ожидать, что его построят селениты не приходится. Придется землянам начать на своем конце.
            (а может марсиане как раз только и ждут, когда мы построим у себя лифт, чтобы потом захватив землю без затрат отправлять к себе полезные ископаемые? )
            • +4
              На Луну нужно фабрику забросить, чтобы уже оттуда строить. А фабрикой рулить можно и с Земли… Виртуальных фермеров в сети уже полно. Будут виртуальные горнодобывающие инженеры, виртуальные строители космического лифта и т.п. Это же весело! :) Можно даже зарплату не платить, а устраивать различные конкурсы. Лишь одна проблемка — лаг в 2.5...3 секунды. Ну да ничего, можно через модель обратную связь получать, а уж если модель с реальностью не сошлась, переживем столь редкое событие, отдебажим модель и вперед, к новым багам.
              • 0
                Есть еще другая «проблемка»: лунная пыль — всюдупроникающая и всеразъедающая.
            • +33
              Селенитам надо попроситься в Россию и тогда построят мост. Или тоннель на Луну.

              Ох огребу сейчас, но не могу удержаться, простите.
              • 0
                Ну а если серьёзно, у Роскосмоса планы на постройку лунной базы уже есть :) Т.е. наиболее вероятно, что именно РФ эту базу и построит первой, а может всё таки в международный проект выльется (надеюсь на это)

                … от блин, у меня тоже серьёзно не получилось что то :)

                p.s: рекомендую посмотреть www.world-art.ru/animation/animation.php?id=2604
        • +1
          Технически, если что-то оторвать от Луны (т.е. придать ему первую лунную космическую скорость), а затем хотя бы пнуть в направлении Земли — это «что-то» в конце концов врежется в Землю.
          Технически, если это «что-то» не боится перегрузок и снабжено парашютами, оно может даже приземлиться где-нибудь в Тихом океане (а не сгореть в атмосфере или там раздолбать какой-нибудь мегаполис).
          Поэтому, имея на Луне лифт, теоретически можно отправлять на Землю те самые природные ископаемые.
          Вопрос только в цене.
          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
            • 0
              Главное чтобы подошел на определенное расcтояние к земле, а там нужно много больше 1-го км/c
              чтобы покинуть ее.
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • +2
      Это когда трос наматывается на экватор с таким расчётом, чтобы луна свалилась точно на СССР эту страну?
  • +8
    А вот и очередное весеннее прорывное заявление самсунга. Супераккумуляторы были, супергибкие экраны были, вот и суперграфен подоспел.
    • +12
      А потом все это вместе соединят, и получится супер-гэлэкси S6. Или S7.
      • +54
        А потом придет эпл и подаст в суд за использование «высокотехнологичного» slide to unlock. Это вам не графен, тут думать надо было…
        • 0
          Тут, скорее всего, в суд будет подавать уже Петрик и Роснано
  • +3
    Мне вот непонятно, почему не образуется наслоений углерода поверх уже готовой пленки? Нужели, силы поверхностного натяжения растаскивают атомы по местам? Удивительно.
    • +1
      Подобные «чудеса» в университете объясняли так: «это энергетически более выгодно». В ответ на такое объяснение полагается понимающе кивать.
      • +2
        Ну что-то подобное я и сам представил. Но одно дело когда, мы наблюдаем локальные эффекты в ограниченном объеме и совсем другое — когда у нас макромасштабы. Углерод сыпется снегом сверху, и ему совершенно фиолетово, куда падать. Когда дыр больше чем поверхности, я могу еще понять. Когда же полотно уже почти готово, неминуемо должны возникать подобные ситуации.
        • +1
          >>Углерод то сыпется снегом сверху и ему совершенно фиолетово, куда падать
          Нет. Сыпется он тоже в виде атомов. Это нельзя представлять как просто «падение» частиц. Впрочем, пполного и правильного ответа я всё равно не знаю.
          • 0
            Я понимаю, что в виде атомов. Это была фигура речи. В том смысле, что осаждение равномерное и видимо случайное.
            • 0
              Я понял. Я и говорю, что оно не случайное. Атом не просто «падает» на поверхность. Всё должно быть сложнее.
              • +4
                Написано ж в статье: «Источником атомов углерода служит метан.»

                Углерод легче отделяется от метана к атомам водорода закрепленным на подложке германия. А уже оттуда более охотно крепятся между собой в графен — связи углерод-углерод сильнее связей углерод-водород. Вот и получается как бы «поверхносное натяжение» краев графена к подложке. А плоскость графена не может реагировать ни с чем — он бы тогда уникальных свойств не имел, вот он и отходит от подложки.

                В итоге: все возможные места для связей на поверхности графена закрыты, значит здесь нет куда прикреплятся.
                А края связаны с атомами водорода на подложе и сдесь прикрепится нет к чему.

                Свободного края графена для захвата углерода из метана не образуется.
                И пофиг, что там сыплется… образованию графена оно абсолютно не мешает.

                • 0
                  Если все так как вы пишете, то графит, являющийся по сути «лазаньей» из графена, не существовал бы. Во-вторых, при механическом способе получения графена (отлущивание слоев от того же графита), возникает задача разделения слоев. Может отслоиться не один а несколько слоев сразу.
                  • +1
                    Графит не лазанья из графена. В графите куча еще минералов и вещест. Кусок лазаньи из графена будет вести себя совершенно по другому и будет называться кристаллом… Только там по другому стоит кристаллизация.
                    • +1
                      Как я понимаю, что выгоднее углероду присоединиться к подложке, чем к другому атому углерода, если мне не изменяют мои знания химии… А вот как происходит дальнейший процесс соединения углерода — мне интересно больше… Как понимаю, атом из-за невозможности присоединить какой-либо еще (он жеж на подложке) начинает присоединяться к другим атомам… А после отсоединяется от подложки каким-либо образом, создавая новую связь.
                      Тут активная подложка нужна больше для того, чтобы их ровно уложить.
                  • +9
                    Не химик, но отвечу. В графите вандервальсовы силы сдерживают листы графена вместе. А в статье речь идет о выращивании графена, путем наращивания углерода через химические связи. Химические связи прочнее водородной, а водородная прочнее вандервальсовой. Температура выращивания графена (в статье 930С), т.е. энергия атомов превышает энергетический барьер сил вандервальса и они не позволяют слипнуться слоям графена. Сверху графеновая снежинка не упадет, т.к. графен растет только на подложке. Отдельный атом углерода отскочит от листа графена, т.к. его энергия больше барьера силы вандервальса.
                    • 0
                      Воот, совсем другое дело. Спасибо большое! Ваш ответ наконец-то прояснил для меня непонятные моменты.
                    • +1
                      Температура выращивания графена (в статье 930С), т.е. энергия атомов превышает энергетический барьер сил вандервальса и они не позволяют слипнуться слоям графена.

                      Позвольте, но в таком случае, графит бы распадался на слои простым нагреванием выше пороговой температуры (930С, судя по вашим словам достаточно). Но не распадается ведь, причем до очень высоких температур. Получается, что связь между слоями не столь уж слабая.
                      Я понимаю, что если рядом есть возможность подсоединится выгоднее, то атом туда может мигрировать. Но вот если плоскость почти заполнена…
                      • +1
                        Если я правильно понял из википедии, обычный графит далек от идеального слоистого материала и представляет собой сильно запутанный комок графеновых фрагментов. В подтверждение моему объяснению изложен факт, что графит при воздействии высоких температур становится хрупким. Т.е. комок смятых тонких А4 не разваливается на листы в свободном полете, а вот пачка листов разлетится на отдельные листы.
                        • 0
                          Ну запутан, да. По крайней мере природный.
                          Но тогда графит можно измельчить, чтобы в пределах зерна было все более-менее упорядочено. А затем нагреванием расслоить на графеновые чешуйки. Только так не делают.

                          Я посчитал про силы ван-дер-ваальса. Согласно википедии они 10-20 кДж/моль, что 0.1-0.2 эВ. А тепловая энергия при 1200К (~930C) получается 0.15 эВ. Так что, да, силы ван-дер-ваальса при такой температуре действовать не могут. Так что у меня очень большие сомнения в истинности утверждения, что
                          В графите вандервальсовы силы сдерживают листы графена вместе.
                          Вы можете подсказать, где вы это взяли?
                          • 0
                            Например, тут::
                            «Одна из методик химического получения графена заключается в интеркалировании графита поверхностно-активными веществами, которые обладают большей энергией взаимодействия с графеновыми слоями, чем силы Ван-дер-Ваальса между слоями.»
                            • 0
                              А, таки делают. Не знал, спасибо.
                            • 0
                              Вот вы сами и ответили на вопрос… Ван-дер-Ваальса между слоями.

                              А в слое работают две межатомные связи углерод-углерод против одной углерод-водород… Вот и формируется лист когда появляется два соседа углерода против одного соседа водорода.

                              Похоже как в игре жизнь…

                              А вандервальсовая сила просто не дает листу графена спучиватся от подложки и в последствии акуратно отделить цельненький лист графена…
      • +4
        Потому что это статистическое объяснение. На самом деле если мы берем отдельно взятые молекулы, то с ними может пройти чуть ли не любая реакция. А вот если мы берем их в массе, то вступают в игру законы статистики которые постулируют некое равновесие между прямыми и обратными реакциями. Энергетически выгодно просто означает, что процесс в одну сторону протекает более вероятно, чем в другую. Представьте, что реакция происходит с излучением кванта света. Тогда для обратного процесса нужно чтобы молекула встретила такой же квант света (все химические реакции обратимы по-определению, но протекают только при пороговых значениях энергий). Если мы имеем замкнутую систему, то фотоны никуда не денутся и вероятность обратной реакции будет той же самой. А если мы позволим им улетать, т.е., например, будем охлаждать среду, то в обратную сторону веществу будет реагировать просто не с чем, в итоге получим реакцию идущую в одну сторону, и его прореагировавшее состояние будет термодинамически более вероятно, т.е. «выгодно».

        Применительно к графену это означает, что почти наверняка что-то на него осаждается сверху. Но вероятность остаться в этом состоянии намного меньше вероятности отвалиться, поэтому ничего особо и не нарастает.
  • +5
    Пару лет назад проскакивала информация об изобретении графеновых аккумуляторов том, что они будут раза в 3-4 более емкими чем литий-ионные. Но в той статье были только теоретические расчеты. С тех пор все заглохло, но может кто-то следил за новостями?
    • +2
      Так вот таких новостей как эта и ждали.
    • 0
      Так без технологий, позволяющих получать этот самый графен сравнительно большими площадями и в промышленных масштабах, все и будет глохнуть. Так что Самсунг молодцы — сделали шаг на пути к появлению таких технологий.
    • 0
      Ссылку на ту ≈позапрошлогоднюю статью никто теперь не даст ли здесь в комментариях, чтобы сегодня перечитать её вдругорядь — в свете вновь открывшихся перспектив?
  • –28
    Боже какой графен некстген
    habrastorage.org/files/97e/d93/fa2/97ed93fa28ab4a98936e4679d773afb0.jpeg

    • +8
      На ваши комментарии посмотришь и невольно задумаешься «Как вы сюда попали?»
      • +3
        По приглашению read-only товарища backmeupplz, однако. Мне другое интересно — возникает подозрение, что аккаунт у backmeupplz угнали, т. к. писал он по делу и заработал инвайты, а теперь — сидит в read-only и инвайты свои потратил на каких-то странных людей. Никого не хотел обидеть, если что.
        • 0
          Согласен с вашими подозрениями, тоже так подумал. Не думаю, что хоть кто-то в здравом уме пригасил бы человека с ником pro100hikka98 на хабр.
        • 0
          Coincidence ?! You decide!
          • 0
            Не похоже на coincidence. Совсем не похоже.
            • –4
              Да у вас же багибирутихан пердака. Совсем с графена припекло клоуны?
              • 0
                Попрошу при женщинах не выражаться!
      • 0
        del
  • +1
    После таких статей становится понятно, где Эпл (который все никак не уймется со своими исками) и где Самсунг, который регулярно разрабатывает что-то грандиозное :)
  • 0
    Простите за тупость, но я не совсем уловил такой момент — что мешает углероду сформировать более одного слоя поверх монокристаллического германия с водородом?

    Если что, я ни разу не химик.
    • 0
      Подозреваю, что атомы углерода просто не могут прицепиться поверх первого слоя.
      • +3
        Углерод летает в компании водородов (CH4 метан). Ударившись о поверхность графена, (1) углерод к графену не присоединится, иначе алмазы можно было бы производить при тех же 900 С, и (2) водороды его графену не отдадут (связь C-H прочнее связи С-сверху-на-графен).
        А вот к открытому краю — может. Углероды на краях «держатся» за лист графена, и за подложку, причем «мечтают» (энергетически выгоднее) оказаться внутри листа, поэтому, если рядом окажется метан, они «отбирают» у него углерод. Видимо, так.

        Возможно, подложка будет многоразовой. Вырастил — оторвал — вырастил — …

        А может и просто — в рулон мотаешь, а она с краю растет. Надо пробовать.
        • +1
          Замечательное объяснение, спасибо!

Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.