Исследователи из Сколтеха запатентовали метод синтеза графеновых структур, при помощи которого можно создавать функциональные графеновые компоненты произвольной формы со 100-нанометровым разрешением на гибкой прозрачной подложке для изделий гибкой и прозрачной электроники. Благодаря предложенному подходу удаётся избежать образования дефектов, которые возникают в общепринятом на сегодня технологическом процессе переноса графена между подложками и приводят к снижению качества.

«Когда речь заходит о гибкой и прозрачной электронике, в первую очередь обычно говорят о более удобных нательных сенсорах для мониторинга пульса, дыхания, насыщения крови кислородом и проч., которые бы снимали и пересылали необходимые показатели, например, на телефон или фитнес-браслет, — рассказывает один из изобретателей, аспирант Сколтеха Алексей Шиверский. — Но представьте себе: когда технология станет доступной и эффективной, она будет повсюду. Как чайник с блютусом или робот-пылесос с вайфаем — сперва вам кажется, что они и не нужны, но со временем к ним привыкаешь и воспринимаешь как удобство, без которого уже некомфортно. Так и гибкая и прозрачная электроника, которая, я верю, будет в будущем повсюду».

На настоящий момент роль проводника в гибкой прозрачной электронике играют металлические сетки, внедренные в полимер или стекло. В основном используются медь, серебро и, если говорить о совсем дорогих устройствах, то золото и платина. Проблема в том, что, например, в случае металлических сеток, используемых для нагревания стекла, их можно лишь с натяжкой назвать прозрачными. Они неплохо справляются, но всё-таки даже самая тонкая сетка «съедает» где-то треть проходящего через неё света.

Графен, обладая очень хорошей электропроводностью, является более прозрачным и менее заметным материалом, так как металлические сетки зачастую видны невооруженным глазом. Кроме того, ряд исследований показывает, что графен обладает большей усталостной прочностью при изгибе, чем металлические сетки, а это означает, что он прослужит дольше в качестве гибкого элемента. Также стоит учитывать, что сырьё для изготовления графена несравнимо дешевле и экологичнее, чем для производства чистых металлов. И графен, в отличие от меди и серебра, не подвержен окислению.

Одна из трудностей на пути к широкому применению графена в гибкой прозрачной электронике связана с проблемой переноса этого материала с временной подложки, на которой производится синтез, на постоянную, которая придаёт ему форму, необходимую для данного устройства. Сейчас для этого используется метод Ленгмюра — Блоджетт, который плохо масштабируется и вносит в графен дефекты, ухудшая его характеристики. Учёные из Сколтеха предложили ему альтернативу.

«Для выращивания графена традиционно используется плоская временная подложка. В методе Ленгмюра — Блоджетт после синтеза её растворяют, и графеновая плёнка остаётся плавать на поверхности жидкости. Под неё подводят постоянную подложку нужной формы, и материал принимает эту форму — как раз в этот момент и происходит деформация листа графена, приводящая к возникновению дефектов», — пояснил Шиверский.

«Разработанный в Сколтехе метод предполагает, что временная подложка должна соответствовать итоговой форме. Постоянная подложка наносится со стороны графеновой плёнки, после чего временная удаляется. Так как графен осаждается сразу в нужной форме и его не нужно „натягивать“, по-научному – драпировать, на конечную подложку, дефектов, например складок, не образуется. При этом за счет 3D-формы исходной подложки достигается существенное расширение возможностей по сравнению с традиционными методами, так как электронные схемы уже необязательно делать плоскими или с формой, близкой к плоской, но как угодно сложными в трехмерном пространстве с разрешением в сотни нанометров», — добавил Сергей Абаимов, другой автор патента, старший преподаватель Сколтеха. Также он уточнил ряд особенностей процесса: «В патенте раскрывается конкретный оптимальный метод, испытанный в лаборатории: на медной каталитической подложке формируется маска из фотополимера в форме синтезируемой графеновой структуры. Затем подложка покрывается слоем хрома, после чего полимер удаляется, и на ней остаётся негативная маска из хрома требуемой нам формы. Почему хром? Потому что он выдерживает высокую температуру синтеза графена и пассивирует его рост в закрытых областях. Однако патент не ограничивался данным методом, но также содержал положения общего характера — как в части описания, так и в формуле, охватывая широкий круг альтернативных подходов».

«Я ожидал, что придётся пройти через несколько редакций, но, к моему удивлению, заявку на этот сложный, многоуровневый патент одобрили сразу, были лишь правки технического характера, — добавил Абаимов. — Надеюсь, что наша работа найдёт широкое применение и обеспечит России передовые технологии в области гибкой и прозрачной электроники».