Просверливание крошечных отверстий в графене оказывает сильное воздействие на этот поразительный материал. Поры не только превращают полуметаллический материал в полупроводник, но и трансформируют графен из самых непроницаемых однослойных тонких пленок в самый эффективный фильтр. Но производство пористого графена – непростая задача. Однако недавно исследователям удалось разработать средство синтезирования пористого графена с высокой точностью.
Команда исследователей из Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2), Высшего совета по научным исследованиям Испании (CSIC), Барселонского института науки и техники (BIST), Университета Сантьяго-де-Компостела, Международного центра физики Donostia (DIPC), Баскского фонда науки Ikerbasque и Каталонского научно-исследовательского института (ICREA) объединили химию в растворе с синтезом на поверхности для создания нанопористого графена.
«Мы использовали подход «снизу вверх» на поверхности, начиная с органических молекул, и показали, что конечный материал демонстрирует более высокое качество по сравнению с нанопористым графеном, который был получен с помощью альтернативного процесса по технологии "сверху-вниз". Качество материала имеет решающее значение для использования нанопористых графеновых мембран в качестве “умных” фильтров и датчиков (с искусственным интеллектом)», – рассказал Сезар Морено, ведущий автор исследования.
Ключевым аспектом синтеза является то, что простой трехстадийный процесс создает упорядоченные массивы пор, разделенных лентами, которые могут быть понижены до диапазона 1 нм. Сначала графеновые наноразмерные ленты синтезируются с использованием хорошо известного метода. Затем наноленты соединяются по боковой линии с использованием высоко воспроизводимой и селективной реакции перекрёстного сочетания. Этот шаг опирается на тщательно разработанный исходный прототип, который определяет края нанолент и гарантирует высокую продуктивность. Поверхность катализатора, которым в этом случае является Au (111), также была тщательно выбрана для обеспечения необходимого уровня контроля.
Первая ступень нагрева полимеризует исходные молекулы в линейные цепи; вторая, при несколько более высокой температуре, создает плоские графеновые наноленты из выровненных полимерных цепей; и третья ступень нагрева при ещё более высокой температуре соединяет ленты в нанопористые графеновые листы.
Листы, изготовленные по этому методу, могут достигать 50 нм × 70 нм с однородной структурой пор 0,4 нм × 0,9 нм при очень высокой концентрации (480 × 103 пор на м2). Эта уникальная структура обеспечивает ширину запрещённой энергетической зоны (пробел в ленте), одномерную анизотропию и локальные электронные состояния, которые могут быть использованы для транспортировки или зондирования.
После переноса на диэлектрические подложки этот универсальный многофункциональный материал может найти множество применений, полагают исследователи, от полевых транзисторов до гибкой, прозрачной электроники, оптоэлектроники или разделительных мембран для опреснения воды, очистки загрязнений или газоразделения.
«Одним из самых значительных атрибутов нашего нанопористого графена является его ширина запрещённой энергетической зоны в 1 эВ, которая очень похожа на ту, что у кремния, и отличается от той, что у непористого графена», – поясняет Морено. «Открытие запрещенной зоны в графене является фундаментальным требованием для наноэлектронной и оптоэлектронной области применений».
Более того, точная до атома форма и нанометровая шкала пор, в сочетании с общей непроницаемостью графена, делают этот материал высокоселективным молекулярным фильтром.
«Избирательную способность можно усилить путем управления функционализацией (принцип управления) пор». Эта функция может обеспечить использование в более уникальных областях применения, таких как даже электрическое секвенирование (определение последовательности) ДНК.
