Корейские учёные разработали революционную технологию производства графен

Хотя графен состоит из широко распространённого в природе углерода, он очень дорог, так как до сих пор не изобретены способы его получения в промышленных масштабах. Относительно просто можно получить лишь мельчайшие чешуйки графена. Большой однослойный лист монокристаллического графена, пригодный для дальнейшего использования в микроэлектронике — пока что недостижимая цель.

Тем не менее, похоже, что прорыв не за горами. Всего несколько месяцев назад в исследовательском центре IBM имени Томаса Уотсона научились получать 10-сантиметровые листы графена. А 3-го апреля этого года в журнале Science были опубликованы результаты совместного исследования учёных из института передовых технологий Самсунг и университета Сонгюнгван (Южная Корея), в которой описан ещё один метод получения больших листов графена с идеальной структурой, потенциально пригодный для массового производства.

Основная проблема выращивания графена — наличие областей с разной ориентацией кристаллической решётки, на стыках которых образуются дефекты. Этой проблемы можно было бы избежать, если выращивать большой лист графена из одного-единственного центра кристаллизации, но это очень трудно реализовать на практике. Корейские учёные нашли способ осуществлять кристаллизацию графена так, чтобы все области, в которых началась кристаллизация, были ориентированы одинаково и срастались в единое целое без дефектов. Ключевой элемент новой технологии — специально обработанная подложка.


Отдельные области графена срастаются в единый лист (вверху — схема, внизу — изображения с микроскопа)

В её основе лежит обычная кремниевая пластина, использующаяся для производства микрочипов. Она покрывается тонким слоем монокристаллического германия, а затем её поверхность обрабатывается 10% водным раствором фтороводорода (плавиковой кислотой).

Кислота растворяет оксидную плёнку на поверхности германия и образует вместо неё слой атомов водорода. Такая подложка обладает двумя очень важными свойствами. 

Во-первых, кристаллическая решётка германия служит своего рода шаблоном для осаждающихся атомов углерода — все центры кристаллизации оказываются ориентированными одинаково, и в последствии идеально срастаются. Во-вторых, она обладает низкой адгезией с графеном — это позволяет легко разглаживаться складкам, образовавшимся в местах стыка разных областей графена или из-за различий в коэффициенте температурного расширения графена и германия. Низкая адгезия так же позволяет легко отделять лист графена от подложки, не повреждая её. Во многих других способах получения графена подложку приходится растворять. Это делает производство невыгодным, так как создание идеально ровной и чистой подложки само по себе дорого. 


А) Начало осаждения углерода; B) образование отдельных областей графена; C) области срастаются в одно целое; D) готовый лист графена. Чёрным обозначены атомы углерода, оранжевым — германия, синим — водорода.

Источником атомов углерода служит метан. Осаждение углерода на подложку происходит при температуре 900 — 930 градусов Цельсия и давлении около 13% атмосферного в течение времени от 5 до 120 минут. Электронная микроскопия подтвердила отсутствие дефектов и нерегулряностей в структуре листа графена. Из синтезированного таким образом графена учёные успешно изготовили полевой транзистор. Сотрудники лаборатории Самсунг заявили, что разработанная технология — «один из самых значительных прорывов в истории исследований графена». Они считают, что это открытие значительно ускорит промышленное освоение графена и откроет новую эру в электронике.