В Сколково разработали методику синтеза графена из моноксида углерода. Одноатомная плёнка углерода напыляется на медную подложку, причём атомы углерода выделяются в окислительно-восстановительной реакции из паров моноксида углерода CO (угарного газа) под действием медного катализатора. В отличие от большинства технологий напыления графенового монослоя процесс не требует использования вакуумной камеры и может проходить при обычных давлениях.
Стандартная технология синтеза графена на сегодня — это химическое напыление углеродного материала из газовой среды с формированием графеновой решётки толщиной в один слой атомов. Процесс напыления проходит в вакуумной камере, при этом атомы углерода отсоединяются от молекул газовой смеси и оседают на подложке, формируя монослой. Обычным материалом подложки выступает медь, а газовая среда чаще всего — какой-либо углеводород: метан, пропан, ацетилен, спиртовые соединения и т.д.
Идея синтеза графена из монооксида углерода CO возникла давно. В этом случае атомы углерода получаются в результате так называемой реакции Будуара CO ⇌ CO2 + C — окисления моноксида углерода до CO2. Этот процесс давно применяется для получения соединений графита и углеродных нанотрубок. Естественным было попробовать этот процесс и для получения монослоя графена. Исследовательская группа имела опыт двадцатилетний работы с моноксидом углерода, но первые эксперименты именно с получением графена долгое время были неудачными. Основной проблемой было, кроме выделения моноатомного слоя, выращивание кристалла существенных размеров, то есть упорядоченной кристаллической решётки на подложке, а не множества микроскопических зёрен.
Новая методика использует обычный для атомно-слоевого осаждения «принцип самоограничения» — некий механизм саморегуляции в химической системе, позволяющий выделить только один слой на подложке, после чего затормозить реакцию и не допустить дальнейшего осаждения материала. При высоких температурах моноксид углерода охотнее разделяется на атомы кислорода и углерода в присутствии в непосредственной близости медной подложки (как катализатора). Но отложенный на ней один слой углерода экранирует атомы меди — они уже отделены от газовой среды, и реакция разложения CO таким образом протекает менее интенсивно. Поэтому такая система естественным образом способствует образованию только тонкого слоя углерода (в идеале — моноатомного, но это уже вопрос тонкой подстройки параметров эксперимента). Таким же образом можно получить монослой атомов углерода на подложке, используя метан, но, по-видимому, эффективность этой схемы ниже, чем для CO. Статья физиков из Сколково и нескольких российских и зарубежных исследовательских институтов с результатами экспериментов по синтезу графенового слоя вышла в марте 2022 года в Advanced Science.
Получившийся слой графена в итоге оказался более чистым, скорость роста — более высокой по сравнению со схожими технологиями, а выращенные монокристаллы обладали достаточными для практического использования размерами порядка миллиметров и сантиметров. Кроме того, в процессе не используется водород и другие горючие газы, поэтому исключается риск возгорания. Как следствие, для проведения экспериментов не нужна вакуумная камера, и процесс можно проводить при обычных или повышенных давлениях. Это и удешевляет, и ускоряет технологию. Напыление слоя графена «с нуля», то есть от помещения медной подложки в установку, занимает около 30 минут.
Кроме стандартного использования графена, применение может найти и сам конечный продукт процесса, то есть медная пластинка с напыленным на неё монослоем углерода — до удаления металла. По сравнению с метаном, моноксид углерода обладает высокой энергией адгезии к металлу. Это означает, что после напыления графеновый слой защищает медную подложку от окисления и создаёт подготовленную поверхность со свойствами катализатора. Такими же свойствами после графенового напыления могут обладать некоторые другие металлы, в частности, рутений и палладий, соответственно открывается новое технологическое направление для получения металлов с особыми свойствами поверхности.
