CC BY
134
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №7/2015 ISSN 2410-6070
ФИЗИКО- МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 539.23
П.В. Винокуров*, С.А. Смагулова**
* научный сотрудник **заведующий лабораторией Физико-технический институт Северо-Восточного федерального университета Г. Якутск, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПЛЕНОК ОКСИДА ГРАФЕНА С ПОМОЩЬЮ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ DVD-ПРИВОДА
Аннотация
В статье был рассмотрен метод восстановления оксида графена с помощью метода LightScribe. Пленки были получены на прозрачных и гибких полиэстеровых подложках. Была исследована поверхность и состав полученных структур, также были сняты вольт-амперные характеристики.
Ключевые слова
Графен, оксид графена, лазерное восстановление оксида графена
Оксид графена (ОГ) синтезируется из графита в больших количествах путем химического расщепления графита [1,2]. При этом получаемый материал представляет собой суспензию с отдельными монослойными листиками оксида графена. Из суспензии можно получить ОГ пленки на разных подложках (оксид кремния, стекло, полимер), которые являются диэлектриками [3]. Оксид графена является непроводящим материалом из-за наличия на поверхности графена гидроксильных групп (карбоксильной, эпоксидной, гидроксильной). Существует несколько методов восстановления ОГ пленок: термический, химический, оптический. При восстановлении ОГ пленок происходит частичное избавление пленок от кислородных групп, в результате чего проводимость возрастает на несколько порядков.
В данной работе пленки ОГ восстанавливались оптическим методом с применением лазерного излучения DVD-привода по технологии LightScribe [4]. Длина волны лазера составляла 780 нм. Подготовка образцов включала в себя нанесение суспензии оксида графена (ОГ) на прозрачную полиэстеровую пленку. После высушивания в течение 12 часов полученная пленка наклеивалась на компакт-диск. Затем пленка обрабатывалась лазером в DVD-приводе. На рисунке 1 приведен компакт-диск с восстановленной пленкой оксида графена на поверхности.
Рисунок 1 - Пленка оксида графена, нанесенная на компакт диск.
Были проведены исследования электрических и структурных характеристик восстановленных пленок оксида графена. Проводимости ОГ пленок до и после восстановления были определены из измерений вольт-амперных характеристик ( рис. 2).
8
международный научный журнал «инновационная наука»
№7/2015
ISSN 2410-6070
-6 -4 -2 0 2 4 6
U, В
10%
ОГ ВОГ
Рисунок 2 - Вольт-амперные характеристики оксида графена и восстановленного оксида графена (вОГ). Сравнение проводимости пленки до и после восстановления.
Проведено исследование поверхности восстановленных ОГ пленок атомно-силовым микроскопом (Solver Next-011 производства NT-MDT) и электронным сканирующим микроскопом (JEOL JSM-7800F). Полученные данные показаны на рисунке 3. Обнаружено, что происходит вздутие в областях, где пленка ОГ обрабатывается лазером. Толщина восстановленного оксида графена (вОГ) относительно поверхности ОГ имеет значение порядка 5 мкм.
Рисунок 3 - Определение толщины восстановленной области с помощью атомно-силовой микроскопии, СЭМ изображение торцевой части восстановленной пленки
Также были сняты изображения торцевой части пленки на сканирующем электронном микроскопе. Данные изображения показали расширение пленки ОГ до 8 мкм. На рисунке 2 видно, что слои ОГ при восстановлении отдаляются друг от друга, и было сделано предположение, что это связано с уходом кислорода.
Для подтверждения этого, был снят элементный анализ в двух областях - ОГ и вОГ. Пленка ОГ лежит сплошным слоем на подложке, в то время как восстановленная часть имеет потрескавшуюся поверхность.
9
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №7/2015 ISSN 2410-6070
Элемент Весовой % Атомный0/о 1 Элемент Весовой % Атомный/
C (углерод) 71.82-85.46 85.89-94.31 C 71.82-85.46 85.89-94.31
O (кислород) 4.29-11.51 3.55-10.34 (углерод)
1 O (кисловод) Ц 4.29-11.51 3.55-10.34
Рисунок 4 - Элементный анализ до и после восстановления пленки ОГ.
Элементный анализ (рис.4) показал уход кислорода в восстановленных областях. Так содержание кислорода в пленке ОГ варьируется от 34.08 до 41.23%, а в вОГ она падает до 4.29.
Таким образом, в данной работе показано, что лазерное восстановление пленки оксида графена увеличивает проводимость пленок на несколько порядков. Исследования восстановления ОГ лазером DVD-привода показали появление вздутия пленок ОГ. Показано, что в восстановленных пленках содержание кислорода уменьшается, что подтвердилось результатами элементного анализа. Применение восстановления лазером перспективны для создания элементов электронной техники, сенсорных устройств, в частности аптасенсоров.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-0801977.
Список использованной литературы:
1. Eda G. and Chhowalla M. // Chemically Derived Graphene Oxide: Towards Large-Area Thin-Film Electronics and Optoelectronics. Advanced materials. 2010. V.22, Р. 2392-2415.
2. Dikin D.A., Stankovich S., Zimney E.J., Piner R.D., Dommett G.H.B., Evmenenko G., Nguyen S.T., Ruoff R.S. //Preparation and characterization of graphene oxide paper. Nature 2007.V.448, Р.457.
10
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №7/2015 ISSN 2410-6070
3. Г.Н. Александров, С.А. Смагулова, А.Н. Капитонов, Ф.Д. Васильева, И.И. Куркина, П.В. Винокуров, В.Б. Тимофеев, И.В. Антонова, Тонкие частично восстановленные оксид-графеновые пленки: структурные, оптические и электрические свойства, Российские нанотехнологии, Т.9. № 7-8. с. 19-23, 2014.
4. El-Kady M.F. et al. // Science, V.335, № 6074, P. 1326-1330
© П.В. Винокуров, С.А. Смагулова, 2015
УДК 517.9
Н. И. Г ордеев
к. т. н., доцент кафедры дискретной математики и информатики Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова
Г. Чебоксары, Российская Федерация
ПРИБЛИЖЕННЫЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ВАРИАЦИОННОЙ ЗАДАЧИ, В КОТОРОЙ ФУНКЦИОНАЛ ЗАВИСИТ ОТ ПРОИЗВОДНЫХ ВЫСШЕГО ПОРЯДКА ОДНОЙ
ФУНКЦИИ
Аннотация
Разработан приближенный аналитический метод решения вариационных задач, в которых функционал зависит от производных высшего порядка одной функции. Предлагаемый приближенный метод является итерационным. На каждом шаге итерационного процесса приближенное решение строится в виде алгебраического полинома (многочлена) определенной степени относительно независимой переменной. Метод позволяет получить приближенное аналитическое решение с наперед заданной точностью.
Ключевые слова
Вариационная задача, функционал, экстремум функционала, экстремаль, производная высшего порядка, приближенное аналитическое решение, алгебраический полином (многочлен) четвертой (или более высокой) степени относительно независимой переменной, стационарная точка функции, экстремум
функции, относительная погрешность.
Пусть перед нами поставлена следующая вариационная задача [1]:
/[у(х)] = /;{[у"(х)]2 + 4[y(x)]2}dx ^ extr, (1)
У(0) = 0 (2),у'(0) = 0 (3)/у(п) = 0 (4),уГ(п) = sh ж (5), где у = у(х) — искомая функция одной независимой переменной х.
Исследуя и решая задачу (1)-(5) вариационным методом [2], находим экстремаль у* (х) = — sin х • shx, (6)
на которой достигается абсолютный минимум функционала /[у(х)]:
Zmjn = Z[/*(x)] = 4 /"(cos2 х • ch2x + sin2 x • sh2x) dx = sh(2^). (7)
Ниже приведем методику приближенного аналитического решения поставленной вариационной задачи (1)-(5).
Особо подчеркнем, что процесс построения приближенного аналитического решения поставленной задачи (1)-(5) с наперед заданной точностью, является итерационным.
Вначале отметим, что данная вариационная задача (1)-(5) зависит от пяти условий: от четырех граничных условий (2)-(5) и еще от одного условия, связанного с экстремумом функционала /[у(х)]. Исходя из этих соображений, в качестве первого приближения к решению задачи предложим алгебраический полином (многочлен) четвертой степени относительно независимой переменной х:
У1(х) = а4 • х4 + а3 • х3 + а2х2 + а1 • х + а0. (8)
11
