Высокоэнергичные ионы превратили графен в наноалмазы

Ученые получили стабильный материал, состоящий из графена и наноалмазов, облучив многослойный графен быстрыми тяжелыми ионами. Возможность управлять механическими свойствами нового наноструктурированного материала в сочетании с легкостью и гибкостью графена открывает перспективы для его использования в космической авиации, автомобильной промышленности и медицинских устройствах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Carbon.

В природе часто встречаются вещества, отличающиеся по свойствам, но при этом состоящие из одного химического элемента. Например, углерод может принимать формы алмаза, слоистого графита и его «собрата» — графена, представляющего из себя одиночный слой графита толщиной в один атом. Отдельные графеновые слои имеют толщину в 0,35 нанометра, что в сотни тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса. Все перечисленные формы углерода имеют совершенно различное происхождение. Если графит, который все знают как материал для карандашных стержней, образуется под влиянием высоких температур и давления в недрах Земли, то графен — чаще всего полученная в лаборатории форма. Алмазы в природе встречаются в земных породах магматического происхождения, реже — в метеоритах. Графит — прочный материал — его сложно разорвать на куски, но при этом он легко разделяется на слои, поэтому его часто используют при создании смазочных материалов. Алмаз — один из самых твердых материалов на планете, поэтому, если соединить его с графеном, то можно компенсировать слоистость последнего и получить материал, сочетающий полезные свойства обоих компонентов.

Ученые из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (Москва), Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) и Объединенного института ядерных исследований (Дубна) смогли сделать графен более прочным, вырастив в нем алмазные наноструктуры.

Сначала авторы поместили графеновые пленки на сетки, чтобы большая часть пленок графена оказалась подвешенной и не касалась никаких поверхностей. Затем образцы облучили пучком ионов высокой энергии — заряженных частиц, полученных из благородного газа ксенона, и разогнанных до огромных скоростей. Под действием ионов в местах их пролета в графеновых слоях появлялись области с «разогретыми» атомами углерода, поскольку за триллионные доли секунды температура атомов скачком возрастала до нескольких тысяч градусов. Резкий локальный нагрев материала привел к возникновению в пленках ударных волн. Высокая температура и ударные волны в свою очередь создали условия для образования в наиболее механически напряженных областях материала наноалмазов — кристаллов с размерами от нескольких до десятков нанометров.

Поскольку диаметр созданных кристаллов примерно в три раза превышал их толщину, авторы отнесли такие структуры к двумерным (2D) алмазам. При этом наблюдение за ними показало, что наноалмазы размером менее двух нанометров были нестабильны и быстро теряли упорядоченную структуру. Образовавшиеся под действием облучения нанокристаллы группировались вместе, и чаще всего они располагались на небольшом расстоянии вокруг областей пролета ионов через пленку.

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

Специалисты исследовали упругие свойства полученного материала — оценили, насколько сложно разорвать наноструктурированные пленки. Для этого провели два эксперимента: графеновую пленку механически растягивали и продавливали. Оказалось, что алмазные нанообласти в разы повысили жесткость материала по сравнению с исходными пленками.

Полученный в ходе работы 2D-материал сочетает преимущества графена и алмаза: он легок и способен проводить ток, как первый, и столь же прочен, как второй. Такие композиты найдут широкое применение в любой отрасли, где нужны прочные на разрыв материалы и функциональные покрытия, в частности, в космической авиации, автомобильной промышленности и биомедицинских устройствах.

«Графен может использоваться для улучшения механических свойств других более слабых материалов путем 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», — подводит итог руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Павел Сорокин, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией «Цифровое материаловедение» НИТУ «МИСИС».