Russische Wissenschaftler haben herausgefunden, warum Graphenoxid, anstatt einfach bei hohen Temperaturen zu verbrennen, die Tür zu einer vielversprechenden und kostengünstigen Methode zur Herstellung von Graphen öffnet. Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Kohlenstoff.
Es ist über ein Jahrzehnt her, seit der Nobelpreis für die experimentelle Graphenforschung verliehen wurde, aber Wissenschaftler haben immer noch keinen Weg gefunden, hochwertiges großflächiges Graphen zu erhalten, das billig, effizient und für den industriellen Bedarf skalierbar wäre. Die Graphenreduktion aus Graphenoxid durch Laserbestrahlung scheint ein vielversprechender Weg zu sein: Bei Graphenoxid, das mit chemischen Methoden aus gewöhnlichem Graphit hergestellt wird, verspricht die lasergestützte Reduktionstechnik viel in Bezug auf Kosten und Kontrollierbarkeit der resultierenden Materialqualität.
Vor einigen Jahren entdeckte eine Gruppe von Skoltech-Forschern, dass das Erhitzen von Graphenoxid auf 3300-3800 K selbst unter atmosphärischen Bedingungen Graphen von ziemlich hoher Qualität erzeugen kann.
„Das Ergebnis war für unsere Kollegen eine große Überraschung: Die Temperatur war sehr hoch, dennoch erhielten sie gut strukturiertes Material. Kohlenstoffmaterialien brennen leicht in Luftsauerstoff bei 600-800 K oder höher, während im Experiment bei viel höheren Temperaturen Graphen gute Struktureigenschaften erworben haben“, sagte Nikita Orekhov, stellvertretender Leiter des MIPT Laboratory of Supercomputer Methods in Condensed Matter Physics. „Um den Grund für diesen unerwarteten Effekt herauszufinden, haben wir uns entschieden, den Hochtemperatur-Graphenoxid-Reduktionsprozess mithilfe von Supercomputer-Atomistikmodellen zu untersuchen und zusätzliche Untersuchungen durchzuführen, die dem Experimentdesign unserer Kollegen folgen.“
Die Forscher fanden heraus, dass einerseits bei hohen Temperaturen (T > 3000 K) Sauerstoffatome aus der gasförmigen Umgebung intensiv mit Graphen wechselwirken, es oxidieren und zerstören. Andererseits beginnt bei denselben Temperaturen ein schnelles Ausheilen des Kristallgitters, wodurch Defekte beseitigt werden können. Während des Temperns richtet sich die Gitterstruktur auf, anstatt auseinanderzufallen.
„Es stellt sich heraus, dass zwei gegensätzliche Prozesse gleichzeitig an verschiedenen Stellen in einem Material ablaufen, das Laserpulsen ausgesetzt wird: Das Brennen oder die Zerstörung findet in der Nähe der Defekte und Grenzen von Graphenschichten statt, wo die Kohlenstoffatome am chemisch aktivsten sind, während das Ausheilen hauptsächlich dort stattfindet in der Mitte des Blattes, wo Atome es vorziehen, sich wieder in eine stabile Konfiguration zu begeben“, sagte Stanislav Evlashin, leitender Forschungswissenschaftler am Skoltech Center for Materials Technologies (CMT).
Die Ergebnisse geben Aufschluss über das Verhalten von Graphenoxid bei extremen Temperaturen, bei denen einfache Experimente kaum möglich sind. Das Verständnis der in der Veröffentlichung beschriebenen Prozesse kann dazu beitragen, die Methoden zur Gewinnung von hochwertigem Graphen mit großflächigen Einkristallen weiterzuentwickeln und zu optimieren.
ND Orekhov et al, Mechanismus der Graphenoxid-Laserreduktion bei Umgebungsbedingungen: Experimentelle und ReaxFF-Studie, Kohlenstoff (2022). DOI: 10.1016/j.carbon.2022.02.018
Stanislav Evlashin et al, Steuerbare Laserreduktion von Graphenoxidfilmen für photoelektronische Anwendungen, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2016). DOI: 10.1021/acsami.6b10145