تكنولوجيا

إنتاج الجرافين عالي الجودة بتكلفة أقل باستخدام أول أكسيد الكربون

رقائق الثلج الجرافين المحفور

رقاقات الثلج المحفورة من الجرافين في Skoltech. المناطق الفاتحة عبارة عن جرافين والمناطق المظلمة عبارة عن نحاس مؤكسد. ظهر نمط ندفة الثلج عندما تم حفر الجرافين المحيط بثاني أكسيد الكربون في إحدى التجارب قبل العثور على التركيب الأمثل للغاز. الائتمان: Artem Grebenko / Skoltech

اقترح الباحثون الأول الجرافين تقنية اصطناعية تستخدم أول أكسيد الكربون كمصدر للكربون. إنها طريقة سريعة وغير مكلفة لإنتاج الجرافين عالي الجودة بمعدات بسيطة نسبيًا لاستخدامها في الدوائر الإلكترونية وأجهزة استشعار الغاز والبصريات وغيرها. نُشرت الدراسة في مجلة مرموقة علوم متقدمة من قبل باحثين من معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا (Skoltech) ، معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا (MIPT) ، معهد RAS لفيزياء الحالة الصلبة ، جامعة آلتو وأماكن أخرى.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD) هو التقنية القياسية لتصنيع الجرافين ، وهو الوحيدذرة– صفيحة سميكة من ذرات الكربون بترتيب على شكل خلية نحل ذات خصائص لا مثيل لها مفيدة لتطبيقات الإلكترونيات وأكثر من ذلك. تتضمن الأمراض القلبية الوعائية عادةً انفصال ذرات الكربون عن جزيئات الغاز وترسيبها على ركيزة كطبقة أحادية في غرفة مفرغة. النحاس هو ركيزة شعبية ، والغازات المستخدمة كانت دائمًا هيدروكربونات: الميثان ، البروبان ، الأسيتيلين ، المشروبات الروحية ، إلخ.

جاءت فكرة تصنيع الجرافين من أول أكسيد الكربون منذ وقت طويل لأن هذا الغاز هو أحد أكثر مصادر الكربون العملية لتنمية الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار. لدينا خبرة في العمل مع أول أكسيد الكربون لما يقرب من 20 عامًا. ومع ذلك ، فشلت تجاربنا الأولى مع الجرافين واستغرق الأمر وقتًا طويلاً لمعرفة كيفية التحكم في تنوي الجرافين ونموه. يكمن جمال أول أكسيد الكربون في تحللها التحفيزي الحصري ، والذي سمح لنا بتنفيذ تركيب محدود ذاتيًا لبلورات كبيرة من الجرافين أحادية الطبقة حتى عند الضغط المحيط ، “كما قال الباحث الرئيسي في الدراسة ، البروفيسور سكولتيك ألبرت نسيبولين.

ورقة الجرافين التوضيح

الجرافين عبارة عن طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في بنية نانوية ثنائية الأبعاد على شكل قرص العسل.

“هذا المشروع هو أحد الأمثلة الساطعة على مدى فائدة الدراسات الأساسية للتقنيات التطبيقية. أصبحت الظروف المُحسَّنة التي تؤدي إلى تكوين بلورات كبيرة من الجرافين قابلة للتحقيق من خلال فهم الآلية الحركية العميقة لتكوين الجرافين ونموه الذي تم التحقق منه بواسطة النظرية والتجربة “، وهو مؤلف مشارك للمقال ، الباحث الرئيسي ديمتري كراسنيكوف من Skoltech. ضغط عصبى.

تستفيد الطريقة الجديدة مما يسمى بمبدأ التقييد الذاتي. في درجات الحرارة المرتفعة ، تميل جزيئات أول أكسيد الكربون إلى الانقسام إلى ذرات الكربون والأكسجين عندما تكون على مقربة من الركيزة النحاسية. ومع ذلك ، بمجرد ترسيب الطبقة الأولى من الكربون المتبلور وفصل الغاز عن الركيزة ، ينحسر هذا الاتجاه ، لذا تفضل العملية بشكل طبيعي تكوين طبقة أحادية الطبقة. يمكن أيضًا أن تعمل الأمراض القلبية الوعائية القائمة على الميثان بشكل ذاتي ، ولكن بدرجة أقل.

“النظام الذي استخدمناه له عدد من المزايا: الجرافين الناتج يكون أنقى ، وينمو بشكل أسرع ويشكل بلورات أفضل. بالإضافة إلى ذلك ، يمنع هذا الإعداد حوادث الهيدروجين والغازات المتفجرة الأخرى من خلال إزالتها تمامًا من العملية “، كما يقول المؤلف الأول للدراسة ، المتدرب Skoltech Artem Grebenko.

حقيقة أن الطريقة تقضي على مخاطر الاحتراق تعني عدم الحاجة إلى فراغ. يعمل الجهاز بالضغط القياسي ، مما يجعله أبسط بكثير من معدات CVD التقليدية. يؤدي التصميم المبسط بدوره إلى تكوين أسرع. يقول غريبينكو: “يستغرق الأمر 30 دقيقة فقط من أخذ قطعة من النحاس العاري إلى استخراج الجرافين”.

نظرًا لأنه لم تعد هناك حاجة إلى الفراغ ، فإن الجهاز لا يعمل بشكل أسرع فحسب ، بل يصبح أيضًا أرخص. يشير الباحث إلى أنه “بمجرد التخلص من الأجهزة المتطورة لتوليد فراغ فائق للغاية ، يمكنك في الواقع تجميع” حل المرآب “الخاص بنا مقابل ما لا يزيد عن 1000 دولار”.

يؤكد المؤلف المشارك في الدراسة بوريس جورشونوف ، الأستاذ في MIPT ، على الجودة العالية للمادة الناتجة: “عندما يتم تقديم تقنية تخليق الجرافين الجديدة ، من الضروري أن يثبت الباحثون أنها تنتج ما يدعون القيام به. بعد اختبار صارم ، يمكننا القول بثقة أن جرافيننا عالي الجودة بالفعل يمكنه منافسة المواد التي تنتجها CVD من الغازات الأخرى. تكون المادة الناتجة بلورية ونقية وتأتي في قطع كبيرة بما يكفي لاستخدامها في الإلكترونيات.

إلى جانب التطبيقات القياسية للجرافين على هذا النحو ، هناك احتمالات مثيرة للاهتمام لاستخدام الجرافين المرتبط بالركيزة النحاسية – دون إزالة المعدن. بالمقارنة مع الميثان ، يحتوي أول أكسيد الكربون على طاقة رابطة معدنية عالية جدًا. هذا يعني أنه أثناء ترسبه ، يحمي الجرافين الطبقة النحاسية من التفاعلات الكيميائية ويعطيها هيكلًا ، مما يخلق سطحًا معدنيًا متطورًا يتمتع بخصائص تحفيزية كبيرة. قد تعمل معادن أخرى معينة ، مثل الروثينيوم والبلاديوم ، أيضًا في هذا السياق لتمهيد الطريق لمواد جديدة بأسطح غير عادية.

المرجع: “الجرافين عالي الجودة باستخدام تفاعل بودوار” بقلم أرتيم ك. غريبنكو ، وديمتري ف.كراسنيكوف ، وأنطون ف.بوبيس ، وفاسيلي إس ستولياروف ، ودينيس في فياليك ، وآنا إيه. ، إفغينيا جيلشتين ، زاخار بدران ، ألكسندر إن شماكوف ، ليودميلا أليابيفا ، رايس ن. موشتشيل ، أندري إم إيونوف ، بوريس ب. علوم متقدمة.
DOI: 10.1002 / advs.202200217

بالإضافة إلى Skoltech و MIPT و ISSP RAS و Aalto ، جمعت الدراسة الواردة في هذه المقالة باحثين من جامعة HSE ومعهد Dukhov لأبحاث الأتمتة ومركز Donostia الدولي للفيزياء و NUST MISIS من FU Berlin و IFW Dresden و Swiss Federal Laboratories for علوم وتكنولوجيا المواد ، معهد بوريسكوف للحفز ، MEPhI وجامعة روتجرز. يدرك باحثو Skoltech أيضًا أن العمل المنجز على مصدر الضوء BESSY II في HZB Berlin مهم للدراسة.


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button