Blussen met laser verhoogt de grafeenkwaliteit

Russische wetenschappers hebben ontdekt waarom grafeenoxide, in plaats van simpelweg af te branden bij hoge temperaturen, de deur opent naar een veelbelovende en goedkope productiemethode voor grafeen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof.

Het is meer dan tien jaar geleden dat de Nobelprijs werd toegekend voor experimenteel onderzoek naar grafeen, maar wetenschappers hebben nog steeds geen manier gevonden om hoogwaardig grafeen met een groot oppervlak te verkrijgen, dat goedkoop, efficiënt en schaalbaar zou zijn voor industriële behoeften. Grafeenreductie van grafeenoxide door laserbestraling lijkt een veelbelovende route: met grafeenoxide geproduceerd uit gewoon grafiet met behulp van chemische methoden, is de laserondersteunde reductietechniek veelbelovend in termen van kosten en controleerbaarheid van de resulterende materiaalkwaliteit.

Een paar jaar geleden ontdekte een groep Skoltech-onderzoekers dat het verhitten van grafeenoxide tot 3300-3800 K, zelfs onder atmosferische omstandigheden, grafeen van redelijk hoge kwaliteit kan produceren.

“Het resultaat kwam als een grote verrassing voor onze collega’s: de temperatuur was erg hoog, maar toch kregen ze goed gestructureerd materiaal. Koolstofmaterialen branden gemakkelijk in atmosferische zuurstof bij 600-800 K of hoger, terwijl in het experiment bij veel hogere temperaturen grafeen goede structurele eigenschappen verwierf,” zei Nikita Orekhov, plaatsvervangend hoofd van het MIPT-laboratorium voor supercomputermethoden in de fysica van de gecondenseerde materie. “Om de reden voor dit onverwachte effect te achterhalen, hebben we besloten om het grafeenoxide-reductieproces bij hoge temperatuur te bestuderen met behulp van supercomputer-atomistische modellering en aanvullend onderzoek uit te voeren naar aanleiding van het experimentontwerp van onze collega’s.”

De onderzoekers ontdekten dat enerzijds bij hoge temperaturen (T > 3000 K) zuurstofatomen uit de gasvormige omgeving intensief interageren met grafeen, dat oxideert en vernietigt. Aan de andere kant begint het snelle uitgloeien van het kristalrooster bij dezelfde temperaturen, waardoor defecten kunnen worden geëlimineerd. Tijdens het gloeien wordt de roosterstructuur recht in plaats van uit elkaar te vallen.

“Het blijkt dat twee tegengestelde processen gelijktijdig plaatsvinden op verschillende plaatsen in een materiaal dat wordt blootgesteld aan laserpulsen: verbranding, of vernietiging, is gelokaliseerd in de buurt van de defecten en grenzen van grafeenplaten waar koolstofatomen chemisch het meest actief zijn, terwijl uitgloeien voornamelijk plaatsvindt in de midden van de plaat waar atomen het liefst terugzakken in een stabiele configuratie,” zei Stanislav Evlashin, vooraanstaand onderzoeker bij het Skoltech Center for Materials Technologies (CMT).

De bevindingen werpen licht op het gedrag van grafeenoxide bij extreme temperaturen, waar eenvoudige experimenten nauwelijks mogelijk zijn. Het begrijpen van de processen die in het document worden beschreven, kan helpen bij het verder ontwikkelen en optimaliseren van de methoden voor het verkrijgen van hoogwaardig grafeen met monokristallen met een groot oppervlak.