Революція у виробництві графену

Хоча графен складається із широко розповсюдженого в природі вуглецю, він дуже дорогий, оскільки до цих пір не винайдені способи його отримання в промислових масштабах. Відносно просто можна отримати лише найдрібніші лусочки графену. Великий одношаровий аркуш монокристалічного графену, придатний для подальшого використання в мікроелектроніці - поки що недосяжна мета.

Проте, схоже, що прорив не за горами. Всього кілька місяців тому в дослідницькому центрі IBM імені Томаса Уотсона навчилися отримувати 10-сантиметрові аркуші графену. А 3-го квітня цього року в журналі Science були опубліковані результати спільного дослідження вчених з інституту передових технологій Самсунг та університету Сонгюнгван (Південна Корея), в якій описаний ще один метод отримання великих аркушів графену з ідеальною структурою, потенційно придатний для масового виробництва.

Основна проблема вирощування графену - наявність областей з різною орієнтацією кристалічної решітки, на стиках яких утворюються дефекти. Цієї проблеми можна було б уникнути, якщо вирощувати великий аркуш графену з одного-єдиного центру кристалізації, але це дуже важко реалізувати на практиці. Корейські вчені знайшли спосіб здійснювати кристалізацію графену  так, щоб всі області, в яких почалася кристалізація , були орієнтовані однаково і зростались в єдине ціле без дефектів. Ключовий елемент нової технології - спеціально оброблена підкладка.


Окремі області графена зростаються в єдиний аркуш (вгорі - схема, внизу - зображення з мікроскопу )

В її основі лежить звичайна кремнієва пластина, що використовується для виробництва мікрочіпів. Вона покривається тонким шаром монокристалічного германію, а потім її поверхня обробляється 10 % водним розчином фтороводню  (плавиковою кислотою). Кислота розчиняє оксидну плівку на поверхні германію і утворює замість неї шар атомів водню. Така підкладка володіє двома дуже важливими властивостями.

По-перше, кристалічна решітка германію служить свого роду шаблоном для  атомів вуглецю, що осаджуються - всі центри кристалізації виявляються орієнтованими однаково, і в результаті ідеально зростаються. По-друге, вона має низьку адгезію з графеном - це дозволяє легко розгладжуватися складкам, що утворився в місцях стику різних областей графену або через відмінності в коефіцієнті температурного розширення графену і германію. Низька адгезія так само дозволяє легко відокремлювати аркуш графену від підкладки, не пошкоджуючи її. У багатьох інших способах отримання графену підкладку доводиться розчиняти . Це робить виробництво невигідним, так як створення ідеально рівної і чистої підкладки саме по собі дорого.

А ) Початок осадження вуглецю; B ) утворення окремих областей графену; C ) області зростаються в одне ціле; D) готовий лист графену. Чорним позначені атоми вуглецю, помаранчевим - германію, синім - водню.

Джерелом атомів вуглецю служить метан. Осадження вуглецю на підкладку відбувається при температурі 900 - 930 градусів Цельсія і тиску близько 13 % атмосферного протягом часу від 5 до 120 хвилин. Електронна мікроскопія підтвердила відсутність дефектів і нерегулряностей в структурі аркуша графену. З синтезованого таким чином графену вчені успішно виготовили польовий транзистор. Співробітники лабораторії Самсунг заявили, що розроблена технологія - «один з найзначніших проривів в історії досліджень графену». Вони вважають, що це відкриття значно прискорить промислове освоєння графену і відкриє нову еру в електроніці.