Karbonmonoksit Kullanarak Grafen Üretmek

Skolkovo Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (Skoltech), Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü (MIPT), RAS Katı Hal Fiziği Enstitüsü, Aalto Üniversitesi ve başka yerlerden araştırmacıların katıldığı bir çalışmaya göre karbonmonoksit kullanılarak ucuza yüksek kaliteli grafen üretmek mümkün.

Grafen Nedir?

Grafen, karbon atomlarından yapılmış tek atom kalınlığında bir malzemedir. Transistörler, sensörler ve güneş pilleri gibi birçok uygulama için onu ideal bir malzeme yapan birçok benzersiz özelliğe sahiptir. Isı ve elektriği bilinen diğer tüm malzemelerden daha iyi iletir. Ve aynı zamanda esnektir. Grafen, sadece bir atom kalınlığında olan bir petek kafes içinde düzenlenmiş karbon atomlarından yapılır.

Grafen, onu birçok uygulama için çekici bir malzeme haline getiren birçok özelliğe sahiptir. Bu özelliklerden bazıları, yüksek elektriksel iletkenliği, yüksek ışık absorpsiyon ve iletim oranları ve düşük ağırlık yoğunluğudur. Bu özellikler grafeni güneş pillerinde, dokunmatik ekranlarda ve daha fazlasında kullanım için mükemmel kılar.

Grafenin ana avantajları, çok yönlülüğü ve gücüdür. Grafen, uygulamanın ihtiyaçlarına göre farklı şekil ve boyutlarda yapılabildiği için tüketici elektroniğinden ilaca ve uzay mühendisliğine kadar çok çeşitli endüstrilerde kullanılabilir.

Karbonmonoksit Kullanarak Ucuza Yüksek Kaliteli Grafen Üretmek

Araştırmacılar, karbon kaynağı olarak karbonmonoksit kullanan ilk grafen sentez tekniğini önerdiler. Bu öneri ile; elektronik devrelerde, gaz sensörlerinde, optiklerde ve ötesinde kullanım için nispeten basit ekipmanlarla yüksek kaliteli grafen üretmek hızlı ve ucuz bir hal almakta.

Kimyasal buhar biriktirme (CVD); elektronik uygulamalar ve daha fazlası için yararlı olan benzersiz özelliklere sahip bir petek düzeninde bir atom kalınlığında karbon atomu tabakası olan grafeni sentezlemek için standart teknolojidir. CVD genellikle gaz moleküllerini parçalayan ve bir vakum odasında tek tabaka olarak bir substrat üzerine çöken karbon atomlarını içerir. Bakır popüler bir substrattır ve kullanılan gazlar her zaman hidrokarbonlar olmuştur: metan, propan, asetilen vb.

 Skoltech Profesörü Albert Nasibulin, karbonmonoksitin güzelliğinin, ortam basıncında bile büyük tek katmanlı grafen kristallerinin kendi kendini sınırlayan sentezini uygulamamıza izin veren özel katalitik ayrışmasında olduğunun üzerinde durmakta. Nasibulin :”Bu proje, temel çalışmaların uygulamalı teknolojilere nasıl fayda sağladığını gösteren parlak örneklerden biridir. Büyük grafen kristallerinin oluşumuna yol açan optimize edilmiş koşullar, hem teori hem de deney tarafından doğrulanan grafen oluşumu ve büyümesi için derin kinetik mekanizmanın anlaşılması sayesinde mümkün hale geldi” yorumunda bulundu.

Yeni yöntem, sözde kendi kendini sınırlama ilkesinden yararlanır. Yüksek sıcaklıklarda, karbonmonoksit molekülleri, bakır alt tabakaya yaklaştıklarında karbon ve oksijen atomlarına ayrılma eğilimindedir. Yine de, ilk kristal karbon tabakası birikip gazı substrattan ayırdığında, bu eğilim azalır, bu nedenle süreç doğal olarak bir tek tabaka oluşumunu destekler. Metan bazlı CVD de kendi kendini sınırlayan bir şekilde, ancak daha az ölçüde çalışabilir.

Kullanılan sistemin bir takım avantajları var: Ortaya çıkan grafen daha saf, daha hızlı büyüyor ve daha iyi kristaller oluşturuyor. Hidrojen ve diğer patlayıcı gazları süreçten tamamen çıkararak kazaları önlemekte.

Yöntemin yanma risklerini ortadan kaldırması, vakuma gerek olmadığı anlamına gelir. Cihaz, standart basınçta çalışarak, onu geleneksel CVD ekipmanından çok daha basit hale getirir. Basitleştirilmiş tasarım, daha hızlı senteze yol açar. Vakum artık gerekli olmadığından, ekipman sadece daha hızlı çalışmakla kalmaz, aynı zamanda daha ucuz hale gelir.

MIPT’de profesör olan ortak yazar Boris Gorshunov, ortaya çıkan malzemenin yüksek kalitesini vurguluyor: “Ne zaman yeni bir grafen sentez tekniği sunulsa, araştırmacıların iddia ettikleri şeyi ürettiğini kanıtlamaları zorunludur. Sıkı testlerden sonra, bizimkinin gerçekten de diğer gazlardan CVD yoluyla üretilen malzeme ile rekabet edebilecek yüksek dereceli grafen olduğunu söyleyebiliriz. Ortaya çıkan malzeme kristalimsi, saf ve elektronikte kullanılabilecek kadar büyük parçalar halinde geliyor.”

Grafenin standart uygulamalarının yanı sıra, metali temizlemeden bakır alt tabakaya bağlı grafenin kullanılması için ilgi çekici olanaklar vardır. Metanla karşılaştırıldığında, karbonmonoksit metale çok yüksek bir yapışma enerjisine sahiptir. Bu, birikme meydana geldikçe, grafenin bakır tabakayı hem kimyasal reaksiyonlardan koruduğu hem de ona yapı kazandırarak, büyük katalitik özelliklere sahip oldukça gelişmiş bir metal yüzey oluşturduğu anlamına gelir.

Opinyu 17.05.2022

“High-Quality Graphene Using Boudouard Reaction” by Artem K. Grebenko, Dmitry V. Krasnikov, Anton V. Bubis, Vasily S. Stolyarov, Denis V. Vyalikh, Anna A. Makarova, Alexander Fedorov, Aisuluu Aitkulova, Alena A. Alekseeva, Evgeniia Gilshtein, Zakhar Bedran, Alexander N. Shmakov, Liudmila Alyabyeva, Rais N. Mozhchil, Andrey M. Ionov, Boris P. Gorshunov, Kari Laasonen, Vitaly Podzorov and Albert G. Nasibulin, 20 February 2022, Advanced Science.