ИСТИНА

В работе предложен новый метод получения проводящих ультратонких покрытий, основанный на самосборке оксида графена на межфазной границе масло/вода с последующим переносом полученных слоев на твердые гидрофобные или гидрофильные подложки и восстановлением под действием микроволнового излучения. Графен является двумерным углеродным материалом с исключительными физическими свойствами, которые могут лечь в основу многих прорывных технологий в самых различных областях современной науки и техники. В то же время практическое использование графена ограничено сложностью создания протяженных покрытий хорошего качества и большого размера (более 1 см2). Существующие на данный момент методы получения графеновых покрытий имеют ряд недостатков, в частности, низкую производительность, в случае механической эксфолиации, и необходимость использовать специфические субстраты (Cu, Au, Ni) при химическом осаждении из газовой фазы. Альтернативной стратегией создания проводящих покрытий на основе графеновых материалов является получение ультратонких слоев и монослоев оксида графена (ОГ) с последующим их восстановлением. Несмотря на то, что при восстановлении кислород «уходит» в виде моно- или диоксида углерода, оставляя в структуре ОГ дефекты, уменьшающие электропроводность материала по сравнению с графеном, полученным методом эксфолиации, существенное удешевление процедуры нанесения и возможность использования широкого спектра материалов в качестве подложек делает его перспективным для практического использования. Основная проблема, возникающая при создании таких пленок, состоит в сложности получения однородных покрытий, в которых, с одной стороны, листы ОГ должны быть расположены на достаточно близком расстоянии, чтобы обеспечить протекание тока, а с другой – не давать сильного перекрывания, увеличивающего сопротивление на стыках частиц. Формирование монослоев оксида графена на поверхности раздела фаз воздух/вода с помощью технологии Ленгмюра-Блоджетт позволяет получать однослойные покрытия высокого качества, однако, такой подход требует специального оборудования, больших экспериментальных усилий и его трудно масштабировать для практических приложений. Таким образом, разработка технологичного метода получения однородных покрытий ОГ является актуальной проблемой, затрагивающей целый ряд научных областей. Не менее важной задачей является поиск методов восстановления ОГ. В настоящее время разработано два основных подхода к восстановлению ОГ: (1) термический, требующий длительной обработки при температуре >800°C, и (2) химический, при котором возможно загрязнение образца продуктами реакции. В свете описанных проблем, целью работы стала разработка экспериментально простой стратегии получения однородных ультратонких покрытий ОГ на подложках различной природы и поиск способа их быстрого восстановления. Для получения однородных слоев ОГ на твердых подложках был использован подход, основанный на самосборке адсорбционных слоев ОГ на межфазной границе между коллоидным раствором ОГ и органическим растворителем с последующим переносом полученных пленок на твердые поверхности различной природы. Для переноса слоев ОГ на гидрофильные подложки (кремний, кварц) в качестве органической фазы использовали н-гексан. С помощью метода сканирующей электронной микроскопии было установлено, что плотность упаковки и толщина слоя ОГ зависит от концентрации гидрозоля и времени формирования адсорбционного слоя. Оптимальное соотношение этих параметров позволяет получать однослойные пленки ОГ с необходимой плотностью упаковки листов (Рисунок 1а). Для формирования покрытий ОГ на гидрофобной поверхности, например, тефлоне, в качестве органической фазы использовали хлороформ. Исследование полученных пленок методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии показало, что при переносе на такие подложки оксид графена формирует полислойные пленки с закрученными, наподобие пергамента, краями (Рисунок 1б). Такая структура слоя позволяет минимизировать контакт гидрофильного ОГ с гидрофобной поверхностью тефлона. Для восстановления ультратонких покрытий ОГ на твердых подложках было использовано микроволновое излучение, источником которого служила бытовая микроволновая печь Panasonic с выходной мощностью 1000 Вт. Это технически простой и химически чистый метод, позволяющий существенно сократить время восстановления слоев по сравнению с термической обработкой. Несмотря на то, что в литературе встречаются работы по восстановлению объемных образов ОГ с помощью микроволнового излучения, для ультратонких пленок этот подход используется впервые. Измерение электропроводности полученных пленок показало, что предложенный подход действительно позволяет получить восстановленный оксид графена, степень восстановления которого зависит от материала подложки и возрастает в ряду тефлон < кварц < кремний. По всей видимости, эффективность восстановления определяется способностью материала поглощать микроволновое излучение, которая также возрастает согласно приведенному выше ряду. Таким образом, разработанная стратегия получения ультратонких пленок восстановленного оксида графена имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими методами, поскольку позволяет получать однородные покрытия высокого качества и большой площади с помощью технически простой процедуры. Описанный подход может быть успешно применен для создания проводящих покрытий на твердых подложках различного назначения.