Графен, как известно, представляет собой моноатомный слой углерода, составленный на манер пчелиных сот из правильных шестиугольников и обладающий исключительной прочностью и проводимостью. Многие полагают, что вскоре он станет достойным конкурентом самому кремнию, что повлечёт за собой трансформацию всей концепции интегральных микросхем, обеспечив появление сверхбыстрых компьютеров, сотовых телефонов и другой носимой электроники.

Это всё здорово, и мечтать — дело полезное. Но прежде чем сон станет хоть немного явью, нужно научиться управлять электронными свойствами графена.

В отличие от полупроводников, таких как кремний, чистый графен является материалом с нулевой запрещённой зоной. То есть сам по себе он совершенно непригоден для построения цифровых схем.

Чтобы решить эту проблему и сделать графен более функциональным, по сей день применяется метод Хаммерса, разработанный в 1950-х годах для окисления поверхности обычного графита. Он использует смесь минеральных кислот и перманганата калия (в оригинале — нитрующая смесь, состоящая из азотной и серной кислот, в присутствии перманганата калия; сейчас азотную кислоту меняют на фосфорную). Но воздействие этой адской субстанции никак не может быть нежным и приятным и приводит к необратимым случайным нарушениям в самой углеродной структуре графена.

Рис. 1. Идеализированная структура оксида графена по методу Хаммерса (иллюстрация C. E. Hamilton, PhD Thesis, Rice University).

Исследователям, представляющим инженерно-прикладной факультет Северо-Западного университета (США), удалось разработать совершенно новый метод окисления графена, не приводящий к нежелаемому ущербу в кристаллической структуре графена.

Кроме того, предложенный окислительный процесс обратим, что дополнительно расширяет возможные рамки управляемости свойствами конечного химически модифицированного материала.

Для получения оксида графена использовалась камера со сверхвысоким вакуумом, в которую допускали небольшие дозы молекулярного кислорода (О₂). Внутри камеры разместили нагретую до 1 500 ˚C вольфрамовую нить, вызывавшую атомизацию кислорода. Результирующие высокореакционные атомы кислорода (бирадикалы) равномерно встраивались в решётку графена.

По словам исследователей, полученный материал демонстрирует высокую степень гомогенности. Спектроскопический анализ показал, что

электронные свойства графена изменяются как функция от количества кислорода на его поверхности; это открыто намекает на то, как именно можно осуществлять подготовку свойств графена для производства реальных устройств. Наконец, обратимость процесса способна обеспечить максимально тонкую подстройку свойств конечного материала.

Впрочем, авторы технологии не считают, что их кислородной модификации будет достаточно для приготовления материала, годного для практического применения. Они лишь мечтают о достижении той же степени разнообразия свойств, которой отличаются полимеры.

Но самое интересное — это обратимость процесса. То есть полученный материал термически весьма нестабилен. Очевидно, что никакого настоящего химического взаимодействия не произошло, реакционная форма кислорода (бирадикальная) оказалась временно стабилизированной на поверхности графена его избыточной обобществлённой (!) электронной плотностью (всё это сродни физической адсорбции). Но дальше стабилизации дело всё равно не пойдёт, пока кристаллической структуре графена не будет нанесён тот самый непоправимый эффект, как в методе Хаммерса. Без жесточайшего разрушающего воздействия, призванного высвободить индивидуальные электроны углеродных атомов из обобществлённой электронной плотности, никакого химического взаимодействия с образованием новых ковалентных связей не случится — а значит, не получится и стабильного нового материала. Да, и не стоит забывать, что

графен, покрытый кислородом (тут и там) по оксидному типу, обладает очень высокой поверхностной энергией, стабильность которой в неполярном воздухе также под вопросом. И это помимо ожидаемой термической нестабильности…

Подробности исследования представлены в статье:

Md. Zakir Hossain, James E. Johns, Kirk H. Bevan, Hunter J. Karmel, Yu Teng Liang, Shinya Yoshimoto, Kozo Mukai, Tatanori Koitaya, Jun Yoshinobu, Maki Kawai, Amanda M. Lear, Larry L. Kesmodel, Steven L. Tait & Mark C. Hersam Chemically homogeneous and thermally reversible oxidation of epitaxial graphene. – Nature Chemistry. – doi:10.1038/nchem.1269; Published online 19 February 2012.