Лист графена почистили вольфрамовой наношваброй

Вольфрамовая игла успешно убрала видимые на электронном микроскопе загрязнения молекулярного масштаба с поверхности листа графена. Таким образом физики достигли максимально возможной очистки поверхности своеобразной наношваброй, однако, изучив процессы загрязнения визуально очищенных слоев, они подтвердили наличие подвижных молекул, невидимых под электронным микроскопом. Тем самым они опровергли возможность абсолютной чистоты двумерного материала на молекулярном масштабе. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Контроль чистоты играет большую роль в любом научном эксперименте и технологическом процессе. С появлением двумерных материалов само понятие чистоты должно быть пересмотрено, например, в графене наличие даже одного добавленного атома ведет к значительным изменениям свойств или даже к разрушению, и вместе с тем усложняется описание тонких слоев или получение новых структур на поверхности. Загрязнения поджидают поверхность в каждый момент: при получении, обработке и хранении, но до сих пор методов очистки, которые способны избирательно очищать поверхности с точностью до молекул, не существует. Существующие методы очистки подразумевают сообщение очищаемой поверхности какой-либо энергии, к которой вещества бывают чувствительны. В прошлом ученые уже пробовали использовать атомный силовой микроскоп, но достичь чистоты графена на молекулярном уровне у них не вышло.

Петер Швайцер (Peter Schweizer) со своими коллегами использовал вольфрамовую иглу толщиной в 50-150 нанометров в качестве двустороннего манипулятора для очистки поверхностных загрязнений на листе графена. После процессов механической очистки они исследовали механизм загрязнения поверхности за счет поверхностной диффузии.

Ученые сконструировали два независимых микроманипулятора из золотой проволоки с вольфрамовыми наконечниками для очистки поверхности с обеих сторон. В качестве основного загрязнителя физики предположили полиметилметакрилат, потому что он часто используется в процессе переноса двумерных материалов. Для аккуратной работы вольфрамовой иглы ученые построили кривую напряжения-деформации, согласно которой предельное значение поперечной силы — 7,6 микроньютонов, а чтобы у такой швабры была возможность расталкивать молекулы загрязнителя, ей потребуется сила в 6,7 микроньютон, что хорошо согласуется с межслойной сдвиговой нагрузкой. Энергия адгезии частиц загрязнителя на поверхности графена составила 0,36 джоуль на квадратный метр, что снова сходится с экспериментальными значениями энергии отрыва листа графена от графита. Однако иногда плоскости графена рвались из-за наличия дефектов в структуре — успешных попыток очистить поверхность графена оказалось больше 80 процентов от всех попыток очистки.

Физики оценивали чистоту поверхности методами Рамановской спектроскопии, просвечивающей микроскопии высокого разрешения и спектроскопии потерь энергетических электронов. По данным спектроскопии на поверхности только полученного листа графена находится кислород, количество которого значительно уменьшается после очистки, что авторы связали с очисткой поверхности от полиметилметакрилата. Для проверки пригодности способа очистки для других двумерных материалов они повторили процесс для дисульфида молибдена.

Процесс повторного загрязнения физики проводили, как сразу так и постфактум. Для этого они вытащили очищенную мембрану в условия окружающей среды на пять минут, а затем поместили обратно в условия низкого давления электронного микроскопа - этого времени хватило, чтобы слой графена полностью покрылся слоем углеводородов из воздуха. Давно известно, что облучение потоком электронов увеличивает рост количества центров загрязнения за счет искажения структуры и выбивания молекул из слоя графена. Ученые проследили за скоростью образования новых центров в зависимости от скорости сканирования поверхности электронами. Чем быстрее было сканирование, тем большую область успевал облучить пучок электронов, а значит и центров загрязнения получилось больше. 

Повторное загрязнение происходит из-за застывания подвижных органических частиц. Эти частицы могут появиться из двух источников: поверхностная диффузия или газовая адсорбция. Если бы основным источником частиц была газовая адсорбция, то увеличение скорости загрязнения никак не зависело бы от скорости сканирования, потому что источник однороден вдоль всей поверхности графена.

Ученые, исходя из соотношения Эйнштейна, рассчитали коэффициент поверхностной диффузии, который оказался равен 4,88×10^-12 квадратных метров на секунду, что показывает сравнительно меньшую диффузию, чем у бензола — 1,5×10^-9 и разветвленных алканов 1,3-3,4×10^-9 квадратных метров на секунду. Этот факт позволил предположить физикам, что на поверхности находятся более крупные и менее подвижные частицы. Наличие повторного загрязнения в месте очистки при глубоком вакууме они использовали для обоснования невозможности абсолютной чистоты поверхности при повышенном давлении, так как существует разбавленная пленка подвижных молекул с большой скоростью, которые нельзя увидеть в микроскоп.

Чистота поверхности графена важна для получения новых слоев на его основе, поэтому для демонстрации контролируемого получения второго нанокристаллического слоя графена физики нанесли на поверхность графена тетрафенилпорфирин меди в диметоксиэтане. Таким образом они смогли получить и подвижную пятиугольную фигуру из графена с нанометровыми размерами, и сплошной микрометровый слой графена за шесть минут. Авторы не уверены, как детально протекала эта реакция, однако предположили радиолиз или выбивание атомов из структуры посредством облучения потоком электронов. Этот процесс похож на графитизацию аморфного углерода на графеновой подложке при использовании электронного облучения или тепла.

Загрязнения мешают во всех сферах деятельности человека, и ученые активно с ними борются. Месяц назад флорентийские химики создали гидрогель, чтобы очистить картины Джексона Поллока. Новый способ не оставляет на полотнах излишков воды, вредной для картин. А о том, какие бактерии проживают на МКС, и какие организмы люди принесут с собой на другие планеты можно прочитал в нашем материале «Безбилетные пассажиры». Ученые пришли к выводу, что никакая дезинфекция не способна уничтожить микробиом человека, а потому занос земных форм жизни на другие планеты произойдет в любом случае.