Графен открывает тайны. Российские ученые разработали метод анализа свойств оксида графена

24.06.19

Коллектив ученых Томского политехнического университета разработал надежный метод анализа степени восстановления микрообластей оксида графена. Этот подход позволяет получить более точные данные об уникальных свойствах областей материала, размер которых составляет единицы микрометров. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Группа исследователей развивает в ТПУ новое направление оптической наноспектроскопии, а также занимается разработкой плазмонных и сенсорных материалов для биомедицины и электроники. По словам одного из авторов разработки, профессора Евгении Шеремет, вопрос изучения уникальных физико-химических свойств оксида графена остается актуальным, несмотря на множество исследований в данной области. Оксид графена имеет графеновую структуру с присоединенными кислородосодержащими функциональными группами. Количество этих групп сильно влияет на свойства материала.

«Чем меньше остается кислородных групп на поверхности оксида графена, тем больше степень восстановления. Этот критерий влияет на то, будет материал гидрофильным и диэлектриком за счет наличия полярных групп, либо он будет больше похожим на графен — гидрофобным и проводящим электричество», — говорит профессор ТПУ.

При этом существует несколько способов, позволяющих оценить степень восстановления — это, например, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) и инфракрасная спектроскопия. Однако эти методы способны работать только с большими площадями материалов. Тогда как для изготовления электроники на основе оксида графена необходимы микроразмерные восстановленные области. Поэтому ученые ТПУ изучают оксид графена, восстановленный лазером. Размер восстановленных областей при этом может составлять единицы микрометров.

«Нам нужен был метод, позволяющий получить разрешение хотя бы в микроны, такой как рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния)», — поясняет Евгения Шеремет.

В рамках исследования образцы оксида графена подвергались воздействию лазером разной мощности — от 0,1 до 10 милливатт. Затем политехники изучали восстановленные области материала при помощи рамановского спектрометра и метода токопроводящей атомно-силовой микроскопии. Рамановская спектроскопия достаточно широко используется для изучения многих свойств углеродных материалов, особенно графена, в том числе механических напряжений, количества дефектов, типа легирования. Однако существующие подходы, подходящие для графена, не подходят для оксида графена, так как его решетка имеет большее количество дефектов. Из-за этого метод анализа теряет свою чувствительность.

«Обычно в анализе углеродных материалов изучаются пики первого порядка, но для оксида графена они дают ненадежные результаты. Поэтому мы проанализировали области высоких частот и обнаружили явную закономерность. Относительная интенсивность пиков второго порядка уменьшается с увеличением степени восстановления. При этом наблюдается сильная корреляция с проводимостью материала, то есть мы можем использовать рамановский сигнал, чтобы судить о степени восстановления оксида графена. И это более надежный метод, чем те, что предлагались ранее», — подчеркивает профессор.

Используя подходы наноспектроскопии эту методику можно в перспективе использовать для анализа наноразмерных областей.

Характерный рамановский спектр оксида графена с обозначением пиков

Андрей Горбачев