Учёные нашли способ ускорить рост монокристаллов

Китайские химики разработали новую технологию получения графена, которая позволяет синтезировать бездефектные кристаллы вещества с рекордной скоростью. Особенностью нового подхода является использование подложки из расплавленной меди, которая не только обладает очень ровной поверхностью, но и играет роль катализатора. Ученым удалось добиться скорости роста кристаллов в 79 микрон в секунду, что примерно на треть лучше предыдущего показателя в 60 микрон в секунду.

Графен, то есть плоская шестиугольная решетка из атомов углерода, обладает целым рядом интересных свойств. В частности, электроны в нем обладают нулевой эффективной массой, что обеспечивает чрезвычайно высокую мобильность зарядов и рекордную теплопроводность. Также это вещество характеризуется высокой механической прочностью, необычным и сильным диамагнетизмом, а также оптической прозрачностью. Все эти параметры делают его подходящим кандидатом для использования в электронике, особенно мелкомасштабной, где отвод тепла — одна из важнейших проблем.

Однако свойства графена в значительной степени зависят от его качества, то есть отсутствия дефектов и размера отдельных кристаллов. В связи с этим активно развиваются различные способы синтеза графена. Одним из них является выращивание методом химического осаждения из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD) на поверхность металла. Однако такие субстраты часто являются поликристаллическими, что приводит к появлению множества центров нуклеации, то есть к началу роста графена сразу во многих точках. Он также состоит из совокупности зерен, что может значительно снижать электронные и другие характеристики. Для борьбы с этой проблемой обычно ограничивают поток осаждаемого углерода, что, в свою очередь, замедляет рост.

Китайские химики из Уханьского университета представили модификацию данной технологии — они предложили использовать вместо твердых металлов жидкие. Такую подложку можно сделать ровной практически с атомарной точностью, а подвижность частиц будет обеспечивать высокую скорость диффузии, что позволит избежать появления дефектов и границ между зернами, неустранимых в случае твердого субстрата. Потенциально такой подход должен быть идеальным решением, обеспечивающим низкую плотность центров кристаллизации, при этом допуская высокую скорость роста. Тем не менее, по словам авторов работы, выращиванию на подложках из жидкого металла ранее не уделялось достаточного внимания.

В рамках экспериментов ученые работали с медью, так как она обладает высокой электропроводностью, то есть в ней много свободных электронов, которые способствуют росту графена, обеспечивая появления центра кристаллизации в течение секунд. Также жидкая медь характеризуется высокой текучестью, что обеспечивает быстрый перенос атомов углерода. Проведение опытов при разных условиях показало падение плотности центров кристаллизации примерно в тысячу раз при пересечении температуры плавления меди. Время появление центров нуклеации при этом также снижалось в разы.

Отдельно ученые детально исследовали скорость роста монокристаллов графена. Для этого они использовали небольшую долю изотопов углерода-13, которые позволяли точно отслеживать кинетику процесса при помощи рамановской спектроскопии и времяпролетной масс-спектрометрии вторичных ионов. Оказалось, что по сравнению с твердой медью графен начал расти почти на два порядка быстрее, достигнув рекордных значений в 79 микрон в секунду. Эти данные также позволили установить, что в случае расплавленной меди новые атомы углерода могут присоединяться к растущему кристаллу графена как из газовой фазы, так и из жидкой через растворение в меди. Одновременное существование двух путей роста обеспечивало быстрое увеличение кристаллов. Авторам удалось вырастить заметные невооруженным глазом монокристаллы размером до нескольких миллиметров.

Графен продолжает оставаться предметом множества исследований. Одним из самых неожиданных свойств, открытых за последнее время, является возникновение сверхпроводимости при наложении двух слоев, повернутых относительно друг друга на «магический» угол. Также множество работ посвящено применению данного материала. В частности, из него сделали газоразделительную мембрану и легкий токопроводящий композит. Тем временем, в Испании начали испытывать бронежилеты с графеном, а другая группа исследователей научилась лепить графенового снеговика.