Способ получения однослойных графенов

(51) 01 31/00 (2006.01) 01 31/02 (2006.01) 82 1/00 (2006.01) 82 40/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ использован как наиболее перспективный материал в самых различных приложениях, таких как наноэлектроника в интегральных микросхемах,баллистических транзисторах,квантовоинтерференционных приборах,ионисторах,используемых в качестве перезаряжаемых источников тока и других отраслях народного хозяйства. Способ получения однослойных графенов включает подачу в реакционную камеру газовой смеси бензола и кислорода в соотношении 14,инициирование осаждения графенов на никелевую подложку путем поджига газовой смеси, при этом давление в реакционной камере составляет 500013000 Па, а никелевая подложка расположена вертикально относительно потока газовой смеси. Способ является энергосберегающим и позволяет получать однослойные графены в течение 30-60 с.(72) Приходько Николай Георгиевич Мансуров Зулхаир Аймухаметович Лесбаев Бахытжан Тастанович Ауелханкызы Молдир Нажипкызы Меруерт(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт проблем горения Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОСЛОЙНЫХ ГРАФЕНОВ(57) Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности, к способу получения однослойного графена, который может быть Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности, к способу получения однослойного графена, который может быть использован как наиболее перспективный материал в самых различных приложениях, таких как наноэлектроника в интегральных микросхемах,баллистических транзисторах,квантовоинтерференционных приборах,ионисторах,используемых в качестве перезаряжаемых источников тока и других отраслях народного хозяйства. Известен способ получения графенов,включающий поджиг газовой смеси углеводородов в виде пропана и кислорода в соотношении 12,осаждение графенов на никелевую подложку в пламени при атмосферном давлении, при этом никелевая подложка расположена вертикально относительно потока газовой смеси.(Н.Г. Приходько,Б.Т. Лесбаев,М. Ауелханкызы, З.А. Мансуров. Синтез в пламени графеновых пленок // Химическая физика. 2014. Том 33, 1. . 32-36). Недостатком известного способа является невозможность получения однослойного графена. Наиболее близким техническим решением к заявляемому,является способ получения однослойных графенов методом химического осаждения, включающий подачу в реакционную камеру смеси метана и водорода в соотношении 520, инициирование осаждения графенов на никелевую подложку, нагревом смеси до 7002100 С вольфрамовыми нитями, через которые пропускают электрический ток, при этом никелевая подложка,расположена горизонтально относительно потока газовой смеси, давление в реакционной камере составляет 100-150 Па, а осаждение графенов осуществляют при поддержании температуры нагрева в течение 1030 мин. (М. , , . .2//. 2014. . 126. . 249-252). Недостатком известного способа является его высокая энергоемкость за счет использования электрического тока для поддержания температуры синтеза графенов из газовой смеси (700-2100 С) в течение всего процесса и создание низкого давления в реакторе (100-150 Па), а также длительность реализации способа (10-30 мин). Задачей заявляемого технического решения является разработка экономичного способа получения однослойных графенов. Технический эффект поставленной задачи состоит в том, что заявляемый способ является энергосберегающим, не требующим низкого давления (близкого к вакууму) в реакционной камере, и сокращение времени получения конечного продукта. Задача решается тем, что способ получения однослойных графенов включает подачу в реакционную камеру газовой смеси бензола и кислорода в соотношении 14, инициирование 2 осаждения графенов на никелевую подложку путем поджига газовой смеси, при этом давление в реакционной камере составляет 5000-13000 Па, а никелевая подложка расположена вертикально относительно потока газовой смеси. Существенным отличием заявляемого технического решения от известного способа получения однослойных графенов является то, что в качестве газовой смеси используют бензол и кислород в соотношении 14, инициирование осуществляют поджигом газовой смеси, при этом давление в реакционной камере составляет 500013000 Па, а никелевая подложка расположена вертикально относительно потока газовой смеси. Графен представляет собой однослойную двумерную углеродную структуру, поверхность которой регулярным образом выложена правильными шестиугольниками со стороной 0,142 нм и атомами углерода в вершинах,аналогично одному кольцу бензола. Таким образом,графен имеет идентичную структуру с бензолом(одно бензольное кольцо), отличающимся от известного метана. Кислород, в заявляемом техническом решении,обеспечивает интенсивное горение углеводородабензола в газовой смеси в результате ее поджига. При горении газовой смеси в заявленном соотношении 14 в реакционной камере температура в зоне синтеза графенов достигает 850-950 С,которая обеспечивает формирование однослойных графенов. Образование углеродных структур при горении протекает по высоте пламени последовательно,начиная от радикалов до формирования сажи. В этой последовательности процесс образования графенов является промежуточным звеном,протекающим на определенной высоте пламени. Вертикальное расположение подложки в пламени не нарушает последовательности процессов в пламени,приводящих к образованию графенов и их формированию на подложке. Таким образом,вертикальное расположение никелевой подложки является оптимальным для синтеза однослойных графенов. Пламенный метод является непрерывным,простым, недорогим и обладает возможностью его распространения на массовое производство графена в отличие от известного метода химического осаждения из паровой фазы. Заявляемый способ получения однослойных графенов не требует затрат на электроэнергию, в отличие от известного, так как формирование однослойных графенов на никелевой подложке протекает в пламени горения заявляемой газовой смеси. Соотношение бензола и кислорода подобрано экспериментально. Заявленное соотношение 14 обеспечивает необходимую и достаточную температуру горения смеси для решения поставленной задачи и достижения технического эффекта - получения однослойных графенов на никелевой подложке. Кроме того, смесь бензола и кислорода в соотношении 14 позволяет повысить давление в реакционной камере до 5000-13000 Па, в отличие от известного способа 100-150 Па и сократить время получения однослойных графенов на никелевой подложке до 30-60 сек, в отличие от известного - 60180 сек. Горение газовой смеси при заявляемом давлении характеризуется пониженным процессом сажеобразования, что имеет положительное влияние на синтез графенов. Таким образом, при давлении 5000-13000 Па реакционная зона, где имеет место процесс начала формирования ПЦАУ, более расширена, что создает большую поверхность для синтеза графеновых слоев. Способ получения однослойных графенов осуществляют следующим образом. В реакционную камеру с давлением 500013000 Па подают смесь бензола и кислорода в соотношении 14. Инициируют поджигом горение газовой смеси бензола и кислорода в соотношении 14. Никелевую подложку размещают вертикально по отношению к оси пламени в центральной части реакционной камеры. По истечению 30-60 с,прекращают подачу газовой смеси, давление повышают до атмосферного и извлекают подложку. Исследования образцов графенов на Раман спектрометре (,473 нм),оптическом ( 490) и атомно-силовом микроскопах показывают наличие графенов 70-76 площади подложки. Из них 2630 однослойных графенов. И 24-30 площади подложки составляет аморфная сажа. Таким образом, заявляемый способ позволяет получать однослойные графены при давлении 5000 13000 Па в течение 30-60 с. Пример. В реакционную камеру с давлением 5000 Па подают предварительную перемешанную газовую смесь бензола и кислорода при скорости подачи бензола - 160 см 3/мин и кислорода - 600 см 3/мин в соотношении 14. Поджигают газовую смесь посредством электроразряда, возникающего между нихромовым электродом и основанием горелки при начальном низком давлении в реакционной камере равном 600 Па, при подаче напряжения от высоковольтного источника тока. Температура пламени в зоне синтеза графенов составляет 900 С. Никелевую подложку толщиной 200 мкм и размером 770 мм, предварительно обработанную в 20 растворе 3 в течение 30 минут, размещают вертикально по отношению к оси пламени в центральной части реакционной камеры. Подложку вводят в пламя при полной стабилизации горения и выдерживают 30 с. Углеродные модификации в виде графенов осаждаются на подложку. По истечению 30 с прекращают подачу газовой смеси,давление повышают до атмосферного и извлекают подложку. Исследования образцов графенов на Раман спектрометре (,473 нм), оптическом ( 490) и атомносиловом микроскопах показывают наличие графенов 76 площади подложки. Из них 30 однослойных графенов. И 24 площади подложки составляет аморфная сажа. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения однослойных графенов,включающий подачу в реакционную камеру газовой смеси, в том числе углеводорода, инициирование осаждения графенов на никелевую подложку,отличающийся тем, что в качестве газовой смеси используют бензол и кислород в соотношении 14,инициирование осуществляют поджигом газовой смеси, при этом давление в реакционной камере составляет 5000-13000 Па, а никелевая подложка расположена вертикально относительно потока газовой смеси.