Двумерный композит: российские учёные вырастили в графене алмазные наноструктуры

Российские учёные получили двумерный материал на основе графена с включениями наноалмазов. Специалисты облучили плёнки графена быстрыми и тяжёлыми ионами. В таких условиях в определённых областях образовались алмазные кристаллы размерами до десятков нанометров. В новом композите сочетаются одновременно свойства графена и алмаза: он лёгок и способен проводить ток, как первый, и столь же прочен, как второй. По словам разработчиков, такой материал может найти применение в космической отрасли, авиастроении, автомобильной промышленности и при разработке биомедицинских устройств.

• Gettyimages.ru
• © Tom Werner

Учёные из Национального исследовательского технологического университета МИСИС (Москва), Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) и Объединённого института ядерных исследований (Дубна) создали 2D-материал на основе графена с включениями наноалмазов. По словам специалистов, такой материал может быть востребован в космической отрасли, авиастроении, автомобильной промышленности и при создании биомедицинских устройств. Об этом RT сообщили в пресс-службе РНФ. Исследование поддержано грантом фонда. Результаты опубликованы в журнале Carbon.

Графен — двумерная форма углерода, отдельные графеновые слои имеют толщину 0,35 нанометра, что в сотни тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса. Графен обладает уникальными механическими и электронными свойствами. Алмаз — одна из форм существования углерода в природе. Алмазы образуются под воздействием колоссальных температур и давления в недрах Земли. Поэтому создание алмазных двумерных плёнок — непростая научная задача. Разделить алмаз на тончайшие слои, как это делается с графитом при производстве графена, невозможно. При этом алмазные плёнки могут обладать рядом интересных физических свойств, отмечают авторы исследования.

• Графен
• Gettyimages.ru
• © KTSDESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Учёные решили пойти от обратного — вырастить наноалмазы в графене, превратив графеновый слой в комбинированный графеново-алмазный материал.

Для этого специалисты облучили плёнки графена пучком ионов высокой энергии — заряженных частиц, полученных из газа ксенона и разогнанных до огромных скоростей. Под действием быстрых и тяжёлых ионов в графеновых слоях появлялись разогретые до нескольких тысяч градусов области и ударные волны. Это привело к переходу углерода на этих участках в алмазные кристаллы размерами от нескольких до десятков нанометров. При этом диаметр полученных алмазов мог в несколько раз превышать их толщину, поэтому полученная структура относится к 2D-материалам. 

• Наноалмазные структуры в плёнках графена
• © Павел Сорокин

«С помощью облучения ионами высоких энергий мы смогли получить двумерные наноалмазы, встроенные в плёнки графена. Это новый, перспективный для наноэлектроники материал, который практически невозможно создать другими методами», — рассказала RT кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН Надежда Небогатикова.

Специалисты предсказали механические свойства полученного материала. Выяснилось, что алмазные нанообласти в разы повысили жёсткость материала по сравнению с исходными плёнками графена. По словам специалистов, полученный 2D-материал сочетает в себе преимущества графена и алмаза: он лёгок и способен проводить ток, как первый, и столь же прочен, как второй.

Такие композиты найдут широкое применение в любой отрасли, где нужны прочные материалы и функциональные покрытия, например в космической авиации, автомобильной промышленности и биомедицинских устройствах.

«Графен может использоваться для улучшения механических свойств других, более слабых материалов путём внедрения в их структуру. Мы продемонстрировали возможность улучшения механических свойств самого графена, создав его композит с двумерными наноалмазами. В дальнейшем мы планируем продолжить эту работу, подробнее изучить механизмы образования алмазов в графене и их электронные свойства, чтобы раскрыть весь потенциал созданного материала», — подытожил руководитель проекта, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией «Цифровое материаловедение» НИТУ МИСИС Павел Сорокин.

Источник