Графены, обладающие рекордной теплопроводностью и электропроводностью, а также повышенной механической и термической стабильностью, имеют значительные перспективы использования в наноэлектронике, наноэлектромеханике и при создании новых материалов с улучшенными механическими характеристиками. Для реализации этих перспектив необходимо разработать достаточно надежные и технологичные методы получения графенов заданной структуры в макроскопических количествах

Среди наиболее распространенных методов решения этой задачи следует в первую очередь упомянуть химический подход, включающий в себя окисление графита, его последующую эксфолиацию (отделение слоев друг от друга) и химическое восстановление полученных слоев до графенов с помощью, например, гидразина.

Альтернативный подход основан на использовании химического осаждения паров (CVD), широко применяемого для получения углеродных нанотрубок. Согласно этому подходу, графены растут в результате термического разложения углеродсодержащих газообразных соединений на поверхности металлического катализатора. Недавно группе во главе с одним из основоположников наноуглеродной науки проф. M.Dresselhaus из Massachusetts Institute of Technology (США) [1] удалось, используя CVD, получить слои графенов площадью порядка 6 см².

В качестве катализатора использовали поликристаллическую пленку Ni толщиной порядка 500 нм, нанесенную на подложку SiO₂/Si, которую нагревали до температуры 900°C и в течение 20 мин отжигали в потоке H₂ и Ar (400 и 600 см³/мин, соответственно). Это приводило к трансформации микроструктуры никелевой пленки с образованием зернистой структуры. Подготовленную таким образом подложку в течение 5 мин обжигали при 1000^оС в токе H₂ + CH₄ (скорость 1400 см₃/мин) при содержании метана несколько десятых процента, что сопровождалось термокаталитическим разложением метана и диффузией атомов углерода внутрь никелевых зерен. В результате последующего охлаждения подложки до 500^оC в потоке Ar + H₂ на ней образовывалась графеновая пленка.

Наблюдения, выполненные с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показали, что параметры полученных графеновых пленок существенно зависят от сочетания трех факторов: размера зерен Ni катализатора, содержания метана в рабочей газовой смеси, скорости охлаждения образца после проведения CVD процедуры. Так, при относительно высоком содержании метана (0.7 %) образуются преимущественно графены, содержащие более двух слоев. При умеренном содержании метана (0.5 – 0.6%) и относительно низких скоростях охлаждения образца (dT/dt < 25°C/мин) доля одно- и двухслойных графенов оказывается весьма высокой (около 87%). Площадь графеновой пленки определяется площадью подложки, покрытой никелевой пленкой, и в данном эксперименте достигало 6 см². Несомненно, площадь можно легко увеличить при использовании более крупных подложек. В этом случае, согласно измерениям, выполненным с помощью атомного силового микроскопа, характерная высота однослойных и двухслойных графеновых листов составила 0.72 и 1.16 нм, соответственно. Удельное электрическое сопротивление пленок, полученных при высоком и умеренном содержании метана, измеренное четырехконтактным методом, составило ~ (0.5 – 1) кО/см² и (3 – 5) кО/см², соответственно. Таким образом, описанная работа продемонстрировала возможность получения проводящих пленок большой площади, состоящих преимущественно из однослойных и двухслойных листов графена.

А. Елецкий

• 1. A.Reina et al., Nano Research 2, 509 (2009)