Химики Томского политехнического университета (ТПУ) в составе международной научной коллаборации при поддержке федеральной программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети») создали новый метод модификации свойств графена. Технология основана на электрохимической литографии и позволяет настраивать параметры материала без применения дорогостоящего оборудования. В перспективе метод может быть использован для создания полностью углеродных электронных компонентов — датчиков, фотоэлементов и каталитических устройств.
Технология электрохимической литографии с катализатором
Разработанная технология получила название электрохимическая литография с использованием катализатора (CEEL). Процесс включает три этапа. На первом этапе исследователи с помощью электрокатализатора — дисульфида молибдена — окисляют поверхность графита до оксида графена. Затем на полученных образцах лазерной обработкой частично восстанавливают оксид графена с микрометровой точностью (восстановленный лазером оксид графена, LrGo). На третьем этапе электрическими и химическими методами формируют плазмонно-активные участки.
«Идея предложенной нами технологии в том, чтобы «писать», «стирать» и «перезаписывать» слои с различной степенью окисления графена без их полного разрушения. По сути, это универсальный способ, который позволяет создать на одной углеродной платформе электронные, оптические и химические устройства. Причём глубина обработки может быть разной, и таким образом можно создать многослойные структуры. Мы использовали это для формирования первого в мире полностью углеродного монолитного полевого транзистора с обратным затвором», — сообщил руководитель проекта, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.
Подтверждение результатов и роль дисульфида молибдена
Результаты исследований были подтверждены с помощью атомно-силовой микроскопии, рамановской, сканирующей и рентгеновской фотоэлектронной микроскопии. Анализ показал, что процессы нового метода происходят локально и контролируются. В отличие от существующих аналогов, подход ТПУ не требует применения агрессивных кислот и экстремальных условий.
Ключевым открытием стало, что дисульфид молибдена выполняет функцию электрокатализатора для формирования более однородных слоёв оксида графена, что важно для создания высокотехнологичных устройств. Возможность перезаписывать слои позволяет адаптировать будущие технологии под конкретные задачи — фотоники, биомедицинских сенсоров и электроники.
Оптические свойства и перспективы применения
Формирование слоя оксида графена на подложке из графита позволяет получить яркие и прочные плёнки. Такие цвета называются структурными, поскольку определяются толщиной слоя. Стабильность цветовых характеристик сохраняется не менее шести недель, что ценно для применения фотонных структур. Кроме того, технология чувствительна к изменениям температуры и дыхания, что может быть полезным при разработке новых оптических сенсоров.
«Формирование слоя оксида графена на подложке из графита позволяет получить яркие и прочные плёнки. Такие цвета называются структурными, потому что они определяются толщиной слоя. Свою стабильность они сохраняют не менее шести недель. Это ценно для применения таких фотонных структур. При том, технология чувствительно реагирует на температуру и дыхание, что может быть полезным при разработке новых оптических сенсоров», — отметил участник проекта, аспирант ТПУ Павел Бахолдин.
В исследовании приняли участие учёные научной группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, а также специалисты из Университета электронных наук и технологий Китая и Сычуаньского университета.