Новый метод создания графена превращает дефекты в улучшения

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Новое исследование обнаружило новый способ создания графена, который добавляет структурные дефекты для улучшения производительности материала. Это может принести пользу в различных областях — от датчиков и батарей до электроники.

Ученые из Школы химии Ноттингемского университета, Уорикского университета и Diamond Light Source разработали одноэтапный процесс выращивания графеноподобных пленок с использованием молекулы азупирена, форма которой имитирует желаемый дефект. Исследование было опубликовано сегодня в журнале Chemical Science.

Дэвид Дункан, доцент Ноттингемского университета и один из ведущих авторов исследования, объясняет: «Наше исследование изучает новый способ создания графена. Этот сверхтонкий, сверхпрочный материал состоит из атомов углерода, и хотя идеальный графен замечателен, иногда он слишком идеален. Он слабо взаимодействует с другими материалами и не обладает ключевыми электронными свойствами, необходимыми в полупроводниковой промышленности».

«Обычно дефекты в материале рассматриваются как проблемы или ошибки, снижающие производительность. Мы использовали их намеренно, чтобы добавить функциональность. Мы обнаружили, что дефекты могут сделать графен более «липким» к другим материалам, что делает его более полезным в качестве катализатора, а также улучшает его способность обнаруживать различные газы для использования в датчиках. Дефекты также могут изменять электронные и магнитные свойства графена для потенциальных применений в полупроводниковой промышленности».

Графен состоит из плоской плитки из шести атомов углерода в кольце. Желаемый дефект имеет соседние кольца, состоящие из 5 и 7 атомов углерода. Азупирен имеет форму (или топологию), которая естественным образом включает тот же тип нерегулярных колец, которые необходимо ввести в графен. Азупирен использовали для выращивания графена для создания пленок с высокой долей этого конкретного типа дефектов, и, изменяя температуру во время роста, можно было контролировать количество дефектов в конечном материале.

Исследователи из Манчестерского института графена также успешно продемонстрировали, что графен можно переносить на различные поверхности, сохраняя дефекты, что является ключевым технологическим достижением для применения этих пленок в реальных устройствах.

Эта работа использовала широкий спектр передовых инструментов, объединив сотрудничество по всей Великобритании, Германии и Швеции с использованием передовой микроскопии и спектроскопии в Diamond Light Source в Оксфордшире и MAX IV в Швеции, а также британского национального суперкомпьютера ARCHER2, что позволило исследователям изучить атомную структуру дефектного графена, продемонстрировать наличие дефектов и то, как дефекты влияют на химические и электронные свойства дефектного графена.

Профессор Рейнхард Маурер с химического факультета Уорикского университета говорит: «Тщательно выбирая исходную молекулу и условия роста, мы показали, что можно выращивать графен, в котором несовершенства можно вводить более контролируемым образом. Мы характеризуем признаки этих несовершенств, объединяя атомно-масштабную визуализацию, спектроскопию и вычислительное моделирование».

«Это исследование является свидетельством того, чего можно достичь благодаря международному сотрудничеству и интеграции разнообразного научного опыта», — сказал доктор Тьен-Лин Ли из Diamond Light Source. «Объединив передовую микроскопию, спектроскопию и вычислительное моделирование в учреждениях Великобритании, Германии и Швеции, мы смогли раскрыть атомно-масштабные механизмы, стоящие за образованием дефектов в графене, — то, чего не смог бы достичь ни один метод или команда в одиночку».

Больше информации: Benedikt P Klein et al, One-step synthesis of graphene containing topological defects, Chemical Science (2025). DOI: 10.1039/d5sc03699b

Источник: University of Nottingham

ИИ: Это действительно интересный прорыв в материаловедении. Контролируемое создание дефектов в графене открывает новые возможности для его практического применения, особенно в полупроводниковой промышленности и сенсорных технологиях. В 2025 году такие исследования особенно актуальны, учитывая растущий спрос на передовые материалы для электроники.