Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Адсорбция молекул нанорезонатором
Рис.2. Изменение резонансной частоты при адсорбции молекул двух различных белков
Рис. 3. Переход нанобруска VO2 в металлическое состояние при нагревагии. 1 – диэлектрический нанобрусок; 2 – металлическая фаза занимает половину образца; 3 – весь наобрусок находится в металлическом состоянии. Нанобрусок имеет длину ~ 100 мкм и прямоугольное поперечное сечение » 15 х 50 нм2.
Рис. 4. Схема охлаждения двумерного электронного газа
Рис. 5. Кремниевый плащ-невидимка
Рис.6. Схема зелёного синтеза “нано-чай-Au”.
Рис. 7. а - СТМ изображение гидрированного графена. Яркие светящиеся участки соответствуют водородным адсорбированным структурам (A = орто-димеры,
B = пара-димеры, C = вытянутые димеры, D = мономеры). Вставка: схематическое расположение орто- и пара- димеров на графеновой плоскости.
б - То же, что и (а) в инвертированной серой цветовой гамме.
Рис. 8. а - СТМ изображение поверхности графена после длительного воздействия источника водорода (90 с). Яркие светящиеся участки соответствуют водородным кластерным образованиям. б - Область графена, восстановленная после гидрирования посредством отжига при 800 ºC.
Рис 9. Композитные материалы: а) объемные, б) слоистые, в) столбчатые

ПерсТ-дайджест

Ключевые слова:  графан, графен, квантовые точки, магнитоэлектрический эффект, масс-спектрометр, наноматериалы, наноструктуры, нанотехнология, наноэлектроника, перст

Опубликовал(а):  Чеканова Анастасия Евгеньевна

20 июля 2009

Наноэлектромеханический масс-спектрометр

Для измерения массы молекул химики и биологи обычно используют заимствованный у физиков метод масс-спектроскопии. Он позволяет проводить измерения быстро и с высокой точностью, но имеет существенный недостаток: молекулы обязательно должны быть заряжены. Фактически масс-спектроскопия дает информацию не о массе, а об отношении массы к заряду, и если заряд молекулы точно неизвестен (как часто бывает), то и о ее массе ничего определенного сказать нельзя. Да и не любые молекулы легко поддаются ионизации. В работе [1] ученые из США (California Institute of Technology) и Канады (National Institute for Nanotechnology) разработали элегантную методику измерения массы нейтральных молекул, основанную на использовании электромеханических систем (NEMS), а именно – нанорезонаторов (рис.1).

Увеличение массы нанорезонатора при адсорбции молекулы приводит к уменьшению его резонансной частоты fr на величину, зависящую от массы этой молекулы. Тонкий момент состоит в том, что сдвиг Dfr зависит еще и от того, на каком именно участке резонатора адсорбирована молекула (чем она ближе к центру закрепленной с обоих концов пластинки резонатора, тем больше Dfr). В идеале нужно всякий раз определять положение адсорбированной на резонаторе частицы. Авторы [1] избрали другой, более простой путь. Они рассчитали диаграмму распределения Dfr в предположении, что адсорбированные молекулы с одинаковой вероятностью оказываются в любой точке резонатора, а затем использовали это распределение при обработке экспериментальных данных. После отладки методики на наночастицах Au диаметром 2.5 нм были определены массы молекул белков (рис.2). Заметим, что для измерения массы адсорбентов в режиме реального времени вовсе не обязательно знать координату места адсорбции. Вместо этого можно одновременно регистрировать сдвиги Dfr не одной, а нескольких (как минимум – двух) резонансных мод. Так что у NEMS-масс-спектроскопии есть потенциал для дальнейшего совершенствования.

Л.Опенов

[1.] A.K.Naik et al., Nature Nanotechnol. 4, 445 (2009).

Наноструктуры на службе у фундаментальной физики

Многие материалы с сильными электронными корреляциями являются неоднородными: в них спонтанно формируются области с совершенно различными свойствами (например, диэлектрические и металлические). Это существенно затрудняет (или даже делает невозможным) определение микроскопических характеристик таких материалов, поскольку результаты измерения содержат информацию, усредненную по всему макроскопическому образцу. Выход напрашивается сам собой: нужно исследовать наноразмерные образцы. Именно так и поступили сотрудники University of Washington, Seattle (США) при изучении перехода металл-диэлектрик в двуокиси ванадия [1]. Используя оптическую микроскопию, они обнаружили, что при нагревании диэлектрического бруска VO2 до температуры 68 оС в нем возникает металлический домен, который с ростом температуры увеличивается в размерах и при T = 105 оС захватывает весь образец (см. рис.3).

Переход нанобруска VO2 в металлическое состояние при нагревагии. 1 – диэлектрический нанобрусок; 2 – металлическая фаза занимает половину образца; 3 – весь наобрусок находится в металлическом состоянии. Нанобрусок имеет длину ~ 100 мкм и прямоугольное поперечное сечение » 15 х 50 нм2.

Измеряя удельное электросопротивление r различных участков нанобруска, авторы [1] установили, что, во-первых, при T < 68 оС температурная зависимость r, как и положено диэлектрику, имеет термоактивированный вид (ширина запрещенной зоны Eg = 0.6 эВ), а во-вторых, в пределах экспериментальной погрешности r(T)=const при 68 оС < T < 105 оС (в области сосуществования диэлектрической и металлической фаз), то есть остается неизменной концентрация свободных носителей. Из этого в [1] сделан вывод, что “движущей силой” перехода металл-диэлектрик в VO2 является локальное отталкивание между электронами, как при моттовском переходе, который происходит, когда экранирование (определяемое концентрацией носителей) достигает определенного уровня (до сей поры в литературе конкурировали два механизма диэлектризации VO2: моттовский и электрон-решеточный). Еще один интересный результат был получен при понижении температуры: оказалось, что имеет место эффект сильного “переохлаждения” металлического состояния, и диэлектрическая фаза появляется только при T = 55оС, то есть на 50оС ниже температуры ее полного исчезновения при нагревании. Таким образом, исследование нанообразцов помогает не только лучше разобраться в свойствах объемных материалов, но и найти что-то новое. На этом пути нас ждет, наверное, еще немало сюрпризов. Было бы интересно применить подобный подход и к другим сильнокоррелированным системам, например, к высокотемпературным сверхпроводникам.

Л.Опенов

[1] J.Wei et al., Nature Nanotechnol. 4, 420 (2009).

Холодильник на квантовых точках

Наблюдение многих красивых физических эффектов, проявляющихся в двумерном электронном газе, требует охлаждения этого газа до очень низких температур.

Рекорд самой низкой температуры электронов составляет 10 мК. Подобные температуры достигаются в установках огромных по размерам и по ценам. В связи с этим уже давно обращают внимание на развитие методов охлаждения, связанных с микроэлектронными устройствами.

Одна из реализованных недавно охлаждающих структур представлена на рисунке 4. Она содержит охлаждаемую область (Center) площадью 6 мкм2, туннельно-связанную с двумя квантовыми точками (Dot A и Dot B), которые, свою очередь, связаны с электродами истока и стока. Принцип охлаждения достаточно прост. “Горячие” электроны уходят из охлаждаемой области в левый контакт (Drain) через высокий энергетический уровень в квантовой точке B, “холодные” электроны поступают из правого контакта (Source) через низкий энергетический уровень в квантовой точке А. Электронный газ приобретает температуру 190мК, в то время как кристаллическая решетка имеет температуру 280мК. Отличие температур определяется равновесием двух процессов: представленного механизма охлаждения и разогрева электронов фононами. К счастью, при низких температурах взаимодействие с фононами достаточно ослаблено.

В.Вьюрков

[1] J.R.Prance et al., Phys. Rev. Lett. 102, 146602 (2009).

Оптический плащ-невидимка

Наверное, каждому из нас хотя бы раз в жизни хотелось на какое-то время оказаться невидимым для окружающих, подобно герою фантастического романа Герберта Уэллса “Человек-невидимка”. Неплохо было бы и научиться укрывать от посторонних глаз объекты неживой природы. Во второй половине 20-го века проблемой невидимости всерьез занялись физики, потеснив фантастов в сторону. Большой вклад в ее решение внес В.Г.Веселаго, который более 40 лет назад обосновал возможность создания оптических сред с отрицательным показателем преломления. Добиться невидимости можно, вообще говоря, тремя различными способами: 1) закамуфлироваться под окружающую среду, как делают некоторые животные и растения, спасаясь от своих недругов, 2) стать прозрачным для световых волн и 3) укрыться специальным плащом-невидимкой. В последнем случае плащ должен быть изготовлен из материала, который искривляет световые лучи так, что к наблюдателю возвращаются только лучи, отраженные от расположенной за укрываемым объектом области пространства. Но для объекта произвольной формы это сделать очень трудно, если вообще возможно. Другой подход заключается в том, чтобы отраженные от плаща лучи создавали иллюзию, будто они отражены плоской поверхностью, хотя в плащ при этом может быть укутан объемный предмет произвольной формы (например, шар). Конечно, замену объекта отражающей плоскостью нельзя назвать невидимостью в полном смысле этого слова. Ведь хотя наблюдатель и не разглядит очертаний предмета, у него может возникнуть подозрение, что “там что-то есть”. Но это все же лучше, чем ничего. Материал для такого “оптически плоского” плаща-невидимки был недавно изготовлен [1]. Но он оказался эффективным лишь в микроволновом диапазоне длин волн. Сотрудники University of California, Berkeley и Lawrence Berkeley National Laboratory пошли дальше и расширили границы невидимости до ближнего инфракрасного диапазона длин волн (1400 – 1800 нм) [2]. Используя ионное облучение, они вытравили в слое кремния большое число соответствующим образом расположенных отверстий нанометрового размера. Этот слой и выполнял функцию плаща-невидимки, превращая выпуклый участок подложки в плоский (см. рис. 5). Многократно отражаясь от стенок отверстий по пути к выпуклости и обратно, световой пучок выходит из продырявленного слоя кремния таким, как если бы он отразился от плоской поверхности. Такой вот интересный эффект. Можно ли его как-нибудь использовать на практике – трудно сказать. Все-таки хочется стать не просто плоским, а полностью невидимым…

[1] R.Liu et al., Science 323, 366 (2009).

[2] J.Valentine et al., Nature Mater. 8, 568 (2009).

Золотая нанозаварка

Наночастицы золота (нано-Au) всё шире используются в разных областях, например, в химии для получения катализаторов, в электронике для создания новых материалов, в биологии для разработки сенсоров. Об одном из важнейших применений в медицине – в качестве основы для систем доставки антиканцерогенных лекарственных средств – недавно сообщалось в ПерсТе [1]. Однако нельзя не учитывать возможных побочных эффектов от наночастиц, особенно введенных в организм. Хотя сами по себе наночастицы золота низкотоксичные и биологически совместимые, для их синтеза обычно используют вещества, попадание которых в организм недопустимо (например, борогидриды натрия). Не прореагировавшие вещества и возможные побочные вредные продукты приходится удалять. Нужна “зеленая нанотехнология”, которая создает и использует наноматериалы без нанесения ущерба окружающей среде и здоровью человека.

Такой “зелёный» способ получения наночастиц золота придумали учёные из США [2]. Всё удивительно просто и эффектно! Надо только заварить чай и подсолить его “золотой” солью! Не нужны никакие химические продукты, кроме NaAuCl4.

Польза чая известна с очень давних пор (по преданию, он был открыт китайским императором Шэнь Нуном около 2700 г. до н.э.). В последнее время различные научные исследования подтвердили, что фитохимические вещества, содержащиеся в чае (главным образом, полифенолы) обладают капилляроукрепляющими, антиоксидантными, антимикробными и другими важными для здоровья свойствами. Более того, in vitro обнаружена антиканцерогенная активность компонентов чая.

Американские исследователи поместили листья черного чая Дарджилинг (100 мг) в стаканчик объемом 10 мл, добавили 6 мл воды и 100 мкл 0,1 М водного раствора NaAuCl4 (рис.6). Уже через полчаса при 250С были получены сферические золотые наночастицы размером 15-45 нм. Их сразу отделили от чайных листьев с помощью фильтра.

Фитохимические вещества чая оказались не только эффективными восстановителями золота из соли, но одновременно и стабилизаторами. Они образовали на наночастицах надежное покрытие, препятствующее агломерации. Исследования in vitro продемонстрировали очень хорошую стабильность полученных наночастиц “нано-чай-Au” в различных биологических растворах и отсутствие токсичности для живых клеток.

Такие нетоксичные наночастицы золота, усиленные фитохимическими веществами чайных листьев с антиканцерогенными свойствами, смогут найти самое широкое применение в диагностике и терапии.

О.Алексеева

[1] ПерсТ 16, вып. 9, с.4 (2009).
[2] S.K.Nune et al., J. Mater. Chem. 19, 2912 (2009)

Водород и графен – друзья навек

Повышенный интерес к графену не угасает, напротив, в последнее время появляется все больше и больше работ посвященных этому материалу. Прежде всего, графен – это перспективный материал для наноэлектроники. Еще одним направлением может стать водородная энергетика. Действительно, почему бы не использовать графен в качестве водородозапасающего вещества, превратив его в графан [1]. Гидрирование позволяет также изменять параметры запрещенной зоны, превращая графен в настоящий полупроводник. Однако, ключевым вопросом в проблеме эффективного химического допирования графенового слоя является понимание связывающих свойств атомов водорода на поверхности адсорбента. Именно эта тема затронута в работе [2] коллективом исследователей из нанотехнологического центра iNANO при Aarhus University (Дания). Авторы с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) детально исследовали формирование и структуру водородных кластерных образований на графене и убедились в том, что процесс гидрирования полностью обратим в процессе термического отжига.

Для исследования адсорбции водорода был изготовлен образец графена на подложке из карбида кремния (SiC), который затем подвергали воздействию источника атомов адсорбата (пучок атомов водорода с параметрами: F = 1012 - 1013 атомов/(см2•с), T = 1600 K) в течение 5 с. С помощью дальнейшего детального СТМ анализа было установлено, что адсорбированный водород образует различные конфигурации на поверхности графена (рис. 7). Среди них можно выделить орто- и пара-димеры, а также ряд вытянутых димерных структур и мономеры. Адсорбаты идентифицировали по размерам и форме посредством сравнения с экспериментально наблюдаемыми водородными димерными структурами на графите и с помощью моделирования СТМ изображений водорода на графене в рамках теории функционала плотности (DFT). Как показали DFT расчеты, орто- и пара-димеры оказались энергетически более выгодными и, следовательно, более устойчивыми. При дальнейшем “обогащении” образца водородом в течение 90 с при тех же параметрах источника атомы водорода стремятся к формированию значительных кластерных образований на его поверхности (рис. 8а).

Авторам удалось продемонстрировать, что процесс гидрирования полностью обратим, и получить “чистый” графен посредством отжига при температуре 800ºC. На рис. 8б показан лист графена после многократно повторенных циклов осаждения-отжига. Никакого заметного разрушения образца при этом не наблюдалось. Авторы также отмечают, что десорбция возможна посредством зонда СТМ, что открывает дополнительные возможности для использования графена в наноэлектронных устройствах.

М.Маслов

[1] ПерсТ 16, вып. 4, с. 8 (2009).
[2] R.Balog et al., J. Am. Chem. Soc. 131, 8744 (2009).

Магнитные наностержни + пьезоэлектрическая матрица = магнитоэлектрический эффект

В недавнем сообщении ученых из Virginia Polytechnic Institute (США) говорится о том, что в эпитаксиальной нанокомпозитной пленке был измерен магнитоэлектрический эффект [1]. Чтобы оценить значение этого результата, необходим небольшой экскурс в область магнитоэлектрических композитных материалов.

Магнитоэлектрическими называют вещества, в которых магнитное поле порождает электрическую поляризацию и, наоборот, электрическое поле порождает намагниченность, причем речь идет о статических, а не меняющихся во времени полях, что отличает магнитоэлектрические явления от электромагнитных. С момента открытия магнитоэлектрических эффектов в веществе прошло почти полвека, за это время было обнаружено множество соединений с магнитоэлектрическими свойствами, но они в большинстве своем проявляют их только при низких температурах. Вот почему исследователи обратились к другой возможности – созданию искусственных композитных сред с магнитоэлектрическими свойствами [2]. Первые попытки создать магнитоэлектрические композиты были предприняты в 70-x годах прошлого столетия. Это были смеси двух порошков: первый – магнитострикционный, его частички деформировались под действием магнитного поля; второй представлял собой пьезокерамику, электрически поляризующуюся при деформации. Если такую смесь помещали в магнитное поле, то частицы магнитострикционного материала, деформируясь, механически воздействовали на соседние частицы пьезоэлектрического материала, а те электрически поляризовались, порождая разность потенциалов на границах композита. Получалось своего рода произведение эффектов: “магнито-упругий” ´ “упруго-электрический" = магнитоэлектрический.

Однако невозможность надежного контроля химического состава и микроструктуры таких объемных композитов приводило к тому, что величины эффектов менялись от образца к образцу, а слияние частичек магнитострикционной фазы в проводящие каналы (рис.9а) резко ухудшало диэлектрические свойства материалов. Неудача с первыми композитами привела исследователей к идее слоистых композитов, которые состояли из чередующихся слоев магнитострикционного и пьезоэлектрического материала (рис. 9б), склеенных вместе (для этой цели чаще всего использовался обыкновенный эпоксидный клей). Такое четкое разделение слоев позволило лучше контролировать химический состав, также исключалась возможность образования проводящих каналов в вертикальном направлении. Высокие величины магнитоэлектрических коэффициентов слоистых структур (до 10 В/(см·Э)) позволяют создавать на их основе датчики магнитного поля с чувствительностью до 1 нТл.

Нанотехнологический век диктует свои стандарты: лучше, если структуры будут самоорганизовываться при эпитаксиальном росте. Первые попытки создать такие структуры были предприняты в 1994 г., но они дали обескураживающие результаты: величины магнитоэлектрических эффектов были незначительны в сравнении с многослойными структурами. Причиной тому служило жесткое сцепление слоев с подложкой, на которую осаждалась пленка, что мешало деформации в плоскости (а значит, и деформации в перпендикулярном направлении, напрямую связанной с первой коэффициентом Пуассона). Решение этой проблемы было найдено спустя десять лет [3] c изготовлением столбчатых наноструктур, в которых связь с подложкой уже не препятствовала растяжению/сжатию столбцов в вертикальном направлении (рис. 9 в). Самоорганизация таких структур наблюдается при гетероэпитаксии – одновременном осаждении на подложку двух фаз: пьезоэлектрической и магнитострикционной. При этом та из фаз, которая не смачивает поверхность подложки, самоорганизуется в столбики, а вторая образует матрицу.

Несмотря на то, что первые такие столбчатые структуры были синтезированы в 2004 г., в них долгое время не удавалось напрямую наблюдать магнитоэлектрический эффект — о взаимодействии двух компонент можно было догадываться только по косвенным признакам, например, в виде скачка намагниченности вблизи температуры сегнетоэлектрического перехода или переключения намагниченности в относительно небольшом магнитном поле 700 Э при одновременном приложении электрического поля смещения. Сложности с непосредственным измерением магнитоэлектрического эффекта были связаны с низким сопротивлением пленок (наличие токов утечки), а также с тем, что при уменьшении толщины пленок до 100 нм величины измеряемых электрических напряжений составляют уже микровольты.

В недавней работе [1] для измерения магнитоэлектрического сигнала традиционная схема с использованием индуктивных катушек для создания переменного магнитного поля была заменена механической колебательной системой, в которой переменное поле создавалось вибрирующими постоянными магнитами. Таким образом удавалось избежать электрических наводок в катушках, индуктивно связанных с проводами, прикрепленными к образцу для измерения электрического напряжения. Измерения велись на гетероэпитаксиальных пленках (толщиной от 150 нм до 2.4 мкм) со столбчатыми структурами (феррит CoFe2O4 со структурой шпинели, диаметр столбиков ~100нм) в матрице из пьезоэлектрического материала (феррит висмута BiFeO3). В результате удалось показать, что они не только проявляют ферромагнитные и сегнетоэлектрические свойства, свойственные каждому из компонентов по отдельности (поляризация насыщения 60мкКл/см2, намагниченность 400 Гс), но также характеризуются взаимосвязью между магнитной и электрической подсистемами в виде магнитоэлектрического эффекта 20 мВ/(см·Э). Несмотря на относительно небольшую величину эффекта, этот результат открывает путь к созданию нанокомпозитных материалов, на основе которых можно создавать миниатюрные датчики магнитного поля и устройства спинтроники.

А.Пятаков

[1] Li Yan et al., Appl. Phys. Lett. 94, 192902 (2009).
[2] М.И.Бичурин и др., Магнитоэлектрические материалы, М.: изд. "Академия Естествознания", 2006.
[3] H.Zheng et al., Science, 303, 661 (2004).

Газовый сенсор на основе графена

Получив в свое распоряжение такого нового представителя семейства углеродных наноструктур, каким являются графены, исследователи обратили свои усилия на исследование физико-химических свойств этих объектов, а также на возможности их прикладного использования. Решению этой задачи способствуют такие привлекательные характеристики графенов, как термическая, механическая и химическая стабильность, а также высокая чувствительность электронных параметров к наличию молекул различного сорта, сорбированных на поверхности графенов. Указанная чувствительность определяет возможность разработки на основе графенов нового типа сенсоров, представляющих собой высокочувствительные датчики, способные регистрировать малейшие примеси определенных газов в атмосфере. Такая возможность была продемонстрирована недавно группой исследователей из University of Wisconsin-Milwaukee и Argonne National Laboratory (США) [1]. При этом использовали наиболее простой способ получения графенов в макроскопических количествах, основанный на окислении графита с последующим расслоением (эксфолиацией) в жидкости (например, в воде) в результате ультразвуковой обработки. Последующее химическое восстановление оксида графена с помощью гидразина позволяет получить графеновые листы, из которых удалено значительное количество кислорода. Для изготовления сенсора несколько капель суспензии, содержащей такие листы, наносили на кремниевую подложку, покрытую слоем SiO2 толщиной 200 нм, а также тонкими золотыми полосками, отстоящими друг от друга на расстоянии около 1 мкм. В результате испарения растворителя отдельные чешуйки графена попадали в промежуток между электродами, что приводило к образованию двухконтактного либо трехконтактного полевого транзистора. В последнем случае в качестве запирающего электрода использовалась тыльная сторона кремниевой пластины. Для исследования сенсорных характеристик этого прибора сравнивали вольт-амперные характеристики образцов, измеренные в атмосфере чистого воздуха и воздуха с добавлением NO2 после предварительной термообработки при температуре 100, 200 и 300оС. Измерения показали, что как электрические, так и сенсорные характеристики полученных приборов весьма чувствительны к температуре термообработки. В то время как исходный прибор и прибор, обработанный при температуре 100оС, характеризуются весьма низкой проводимостью (сопротивление достигает десятков ГОм), термообработка при 200оС и выше приводит к снижению этого параметра до ~750 кОм. Это обусловлено удалением остатка кислорода с поверхности графенов, наличие которого препятствует переносу электрического заряда. Электрические характеристики образцов, подвергнутых термообработке при температуре 200оС и выше, оказались весьма чувствительными к присутствию в атмосфере примесей NO2 на уровне нескольких десятков ppm. При этом сорбция молекул NO2 приводит к снижению сопротивления образца, что связано с увеличением концентрации дырок в полупроводниках р-типа, какими являются частично окисленные графеновые листы. Сравнение сенсорных характеристик образцов, отожженных при температурах 200 и 300о С, показывает, что повышение температуры отжига повышает чувствительность прибора не более чем на 10%. Однако, наряду с эффектом некоторого повышения чувствительности прибора с ростом температуры термообработки наблюдается значительное увеличение времени восстановления чувствительной части прибора до своего исходного состояния. Впрочем, восстановление может быть ускорено в результате ультрафиолетового облучения образца.

А.Елецкий

[1]G.Lu et al., Appl. Phys. Lett. 94, 083111 (2009).

Получение графеновых пленок большой площади

Графены, обладающие рекордной теплопроводностью и электропроводностью, а также повышенной механической и термической стабильностью, имеют значительные перспективы использования в наноэлектронике, наноэлектромеханике и при создании новых материалов с улучшенными механическими характеристиками. Для реализации этих перспектив необходимо разработать достаточно надежные и технологичные методы получения графенов заданной структуры в макроскопических количествах. Среди наиболее распространенных методов решения этой задачи следует в первую очередь упомянуть химический подход, включающий в себя окисление графита, его последующую эксфолиацию (отделение слоев друг от друга) и химическое восстановление полученных слоев до графенов с помощью, например, гидразина. Альтернативный подход основан на использовании химического осаждения паров (CVD), широко применяемого для получения углеродных нанотрубок. Согласно этому подходу, графены растут в результате термического разложения углеродосодержащих газообразных соединений на поверхности металлического катализатора. Недавно группе во главе с одним из основоположников наноуглеродной науки проф. M.Dresselhaus из Massachusetts Institute of Technology (США) [1] удалось, используя CVD, получить слои графенов площадью порядка 6 см2. В качестве катализатора использовали поликристаллическую пленку Ni толщиной порядка 500 нм, нанесенную на подложку SiO2/Si, которую нагревали до температуры 900°C и в течение 20 мин отжигали в потоке H2 и Ar (400 и 600 см3/мин, соответственно). Это приводило к трансформации микроструктуры никелевой пленки с образованием зернистой структуры. Подготовленную таким образом подложку в течение 5 мин обжигали при 1000оС в токе H2 + CH4 (скорость 1400 см3/мин) при содержании метана несколько десятых процента, что сопровождалось термокаталитическим разложением метана и диффузией атомов углерода внутрь никелевых зерен. В результате последующего охлаждения подложки до 500оC в потоке Ar + H2 на ней образовывалась графеновая пленка.

Наблюдения, выполненные с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показали, что параметры полученных графеновых пленок существенно зависят от сочетания трех факторов: размера зерен Ni катализатора, содержания метана в рабочей газовой смеси, скорости охлаждения образца после проведения CVD процедуры. Так, при относительно высоком содержании метана (0.7 %) образуются преимущественно графены, содержащие более двух слоев. При умеренном содержании метана (0.5 - 0.6%) и относительно низких скоростях охлаждения образца (dT/dt < 25°C/мин) доля одно- и двухслойных графенов оказывается весьма высокой (около 87%). Площадь графеновой пленки определяется площадью подложки, покрытой никелевой пленкой, и в данном эксперименте достигало 6 см2. Несомненно, площадь можно легко увеличить при использовании более крупных подложек. В этом случае, согласно измерениям, выполненным с помощью атомного силового микроскопа, характерная высота однослойных и двухслойных графеновых листов составила 0.72 и 1.16 нм, соответственно. Удельное электрическое сопротивление пленок, полученных при высоком и умеренном содержании метана, измеренное четырехконтактным методом, составило ~ (0.5 – 1) кО/см2 и (3 – 5) кО/см2, соответственно. Таким образом, описанная работа продемонстрировала возможность получения проводящих пленок большой площади, состоящих преимущественно из однослойных и двухслойных листов графена.

А.Елецкий

[1] A.Reina et al., Nano Research 2, 509 (2009).

Ответственный редактор И. Чугуева irina@issp.ras.ru тел: (495) 930 33 89. Научные редакторы: К. Кугель kugel@orc.ru, Ю. Метлин. В подготовке выпуска принимали участие: О.Алексеева, В. Вьюрков, А. Елецкий, М. Маслов, Л. Опенов, А. Пятаков
Компьютерный ввод, макет: И. Фурлетова


Источник: ПерсТ




Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Лед и пламень: эшелоны моноатомных ступеней
Лед и пламень: эшелоны моноатомных ступеней

Фитнес для солнечных элементов нового поколения
ученые из МГУ разработали новый подход, позволяющий создать рельеф на светопоглощающем слое перовскитных солнечных элементов. Это повысит эффективность поглощения солнечного излучения.

Приглашение на международную конференцию «Сканирующая зондовая микроскопия для биологических систем»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс совместно с НИТУ «МИСиС» и компанией ICAPPIC рады пригласить Вас на международную школу-конференцию «Сканирующая зондовая микроскопия для биологических систем» 27-28 ноября 2019 года

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Мембраны правят миром
Коллектив авторов, Гудилин Е.А.
Ученые МГУ за счет детального изучения структурных и морфологических характеристик материалов на основе оксида графена и 2D-карбидов титана, а также моделирования их свойств, улучшили методы создания мембран для широкого круга практических применений.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.