Обзор методов формирования локализованных слоёв графена Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ОБЗОР МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ СЛОЁВ ГРАФЕНА

Евгений Владимирович Лаптев

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.

Плахотного, 10, аспирант кафедры наносистем и оптотехники, тел. +7(383) 913 060 2827, email: [email protected]

Сергей Леонидович Шергин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, у Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]

В статье рассмотрены существующие методы локализованного образования слоев графена и графеновых пленок, свойства данного материала, а также его возможное применение в тех или иных областях микро- и наноэлектроники.

Ключевые слова: графен, локализованне образование слоев графена, нанотехнологии. THE REVIEW OF LOCAL GRAPHEN LAYERS FORMATION METHODS Eugene V. Laptev

Siberian State Academy of Geodesy (630108, Novosibirsk, Plahotnogo st., 10), postgraduate of Nanosystems and optical engineering department, phone +7(383) 913 060 2827, e-mail: [email protected]

Sergey L. Shergin

Siberian State Academy of Geodesy (630108, Novosibirsk, Plahotnogo st., 10), Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Physics department, (383) 361-08-36, e-mail: [email protected]

The review of modern local graphen layers formation methods is presented.

Key words: local graphen layers formation.

В данной статье рассмотрены свойства и методы получения материала, который может стать будущей основой микро- и наноэлектроники. Как известно, графен (англ. graphene) - слой атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp2 связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью (1 ТПа и

-5 _1 _1

5^10 Вт м К , соответственно). Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

На рис. 1 показана кристаллическая структура графена: атомы углерода выстроены в решётку «пчелиные соты» [1].

Рис. І. Кристаллическая структура графена

Несмотря на то, что попытки изучения графена прослеживаются до 1859 года [2], его активное исследование началось не так давно, после нахождения довольно простого способа изготовления относительно больших и изолированных друг от друга образцов графена [3, 4].

Первоначальный метод микромеханического расслоения или его более известное название метод «клейкой ленты» [3,4], оказался весьма эффективным и простым и благодаря этому исследования графена стали очень быстро развиваться. Несмотря на столь удобный способ получения графена, на сегодняшний день, данный метод не позволяет получить однородные и равноразмерные слои графена. Поэтому метод микромеханического расслоения не может быть использован в качестве метода локализованного образования слоёв графена. В дальнейшем довольно будут подробно рассмотрены те методы, которые позволяют получить локализованные, однородные и равноразмерные слои графена. Однако для того чтобы понять для чего вообще нужны такие методы, необходимо проанализировать потенциальные области применения графена в виде локализованных слоёв.

В 2010 году два учёных Манчестерского университета (Великобритания), Новосёлов Константин Сергеевич и Гейм Андрей Константинович стали лауреатами Нобелевской премии 2010 года по физике, за открытие графена. Данная награда, служит признанием многообещающего будущего данного материала. Он может произвести революцию в индустрии электроники и позволит создавать легкие, крепче стали, материалы. И это одни из многих возможных применений данного материала. Гейм заявил, что он "видит параллели с ситуацией, которая сложилась около 100 лет назад, когда были открыты полимеры. Прошло некоторое время и полимеры вошли в нашу жизнь в виде пластмассы и стали играть важную роль в жизни людей" [5].

Постараемся осветить наиболее известные и полезные потенциальные области применения графена. И так потенциальные области применения

графена: замена углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных самолетов и спутников; замена кремния в транзисторах; датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы; использование графеновой пудры в электрических аккумуляторах, с целью увеличения их эффективности; оптоэлектроника; прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов; более крепкие ветряные двигатели; более устойчивые к механическому воздействию медицинские имплантаты; улучшение проводимости материалов; высокомощные высокочастотные электронные устройства; искуственные мембраны для разделения двух жидкостей в резервуаре; производство графеновых нанолент позволит создать баллистические транзисторы [5]. Для того чтобы стало возможным применение графена в вышеуказанных областях, необходимо разрабатывать всё более эффективные методы локализованного образования слоёв графена, а также использовать существующие в качестве отправной точки. Наиболее эффективные и общепринятые методы образования слоёв графена: химический метод, эпитаксиальный метод, метод термического разложения подложки из углеродосодержащего материала, например карбида кремния ^С). Рассмотрим более подробно каждый из методов.

Химический метод. Кусочки графена можно приготовить из графита, используя химические методы [6]. Для начала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графена [7,8,9]. Несмотря на возможность получения данный методом нанометровых слоёв графена, он довольно сложен, трудоёмок и требует не малого количества химических веществ, поэтому автор статьи считает его не эффективным методом локализованного образования слоёв графена.

Эпитаксиальный метод. Сотрудники Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) продемонстрировали возможность создания пленок однослойного графена на различных диэлектрических подложках

методом химического осаждения из паровой фазы.

На рис. 2 показаны стадии получения графеновой плёнки [10].

Рис. 2. Стадии получения графеновой плёнки

Подложками служили монокристаллы кварца, сапфир, кварцевое стекло и диоксид кремния. Сначала на них методом электронно-лучевого испарения наносился слой катализатора (меди) толщиной 100-450 нм. Затем при температуре в 1 000 °С начинался процесс парофазного химического осаждения в присутствии смеси Н2 и СН4, продолжавшийся от 15 минут до семи часов. В процессе выращивания пленки или сразу после его окончания медь собирается в капли и удаляется, оставляя однослойный графен на диэлектрической подложке [10].

Метод термического разложения подложки из углеродосодержащего материала (на примере SiC). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена очень близок к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: С-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность - в первом случае качество плёнок выше.

Заключение. Несмотря на значительное количество методов получения графена, ни один из вышеперечисленных не позволяет произвести локализованное образование островков графена. Однако на данный момент в лабораториях Сибирской Государственной Геодезической Академии (г. Новосибирск) исследуются два метода локализованного образования островков графена, которые в дальнейшем могут применяться при формировании базовых элементов в новейших приборах и устройствах. Первый способ предполагает формирование островков графена методом инициированного лазерным излучением парофазного химического осаждения (ЛПФХО, англ. LCVD) из паров элементоорганических соединений на монокристаллических поверхностях. Второй способ основывается на формировании островков графена в результате термостимулированной лазерным локальным импульсным облучением диффузии атомов углерода изнутри монокристаллических плёнок (карбида кремния, насыщенного углеродом никеля) на их поверхность, с дальнейшим многостадийным процессом переноса графеновых чешуек на рабочую поверхность. Два данных метода при соблюдении всех норм и правил технологического процесса, позволяют произвести локализованное образование островков графена, что непосредственно является серьёзным достижением в области нанотехнологий.

Многие учёные всего мира исследуют, усовершенствуют и разрабатывают методы получения графена для тех или иных областей науки. В зависимости от потребности в изготовлении материалов с новыми свойствами, а также разработки новейших приборов и устройств на основе графена, учёные ставят перед собой задачи по разработке метода, позволяющего сформировать максимально приближенную к идеальной равномерную, однородную, локализованную структуру графена.

И хотя на сегодняшний день существует немало недоработок и проблем при изучении графена, факт остаётся фактом, графен является материалом настоящей и будущей наноэлектроники.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Новосёлов, К.С. Графен: метериалы Флатландии [Текст] / К.С. Новосёлов // Нобелевская леция. - Стокгольм, 2010.

2. Brodie B C Phil. Trans. R. Soc. Lond. 149 249 (1859)

3. Novoselov K S et al. Science 306 666 (2004)

4. Novoselov K S et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102 10451 (2005)

5. Графен изменит нашу жизнь: практическое применение графена в будущем (2010) [Electronic resource] / Статья - Англ. - Режим доступа: http://globalscience.ru/article/read/18798/

6. Solution Properties of Graphite and Graphene Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E. Itkis, Jared L. McWilliams, Mark A. Hamon, and Robert C. Haddon J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128

7. Bunch J. S. et al. Coulomb Oscillations and Hall Effect in Quasi-2D Graphite Quantum Dots Nano Lett. 5, 287 (2005)

8. Li X. et. al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir-Blodgett films Nature Nanotechnology 3, 538 (2008)

9. Hernandez Y. et. al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphiteNature Nanotech. 3, 563 (2008)

10. Direct Chemical Vapor Deposition of Graphene on Dielectric Surfaces (2010) [Electronic resource] / American Chemical Society - Англ. - Режим доступа: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl9037714

© Е.В. Лаптев, С.Л. Шергин, 2012