Повышенный интерес к графену не угасает, напротив, в последнее время появляется все больше и больше работ посвященных этому материалу. Прежде всего, графен – это перспективный материал для наноэлектроники. Еще одним направлением может стать водородная энергетика

Действительно, почему бы не использовать графен в качестве водородозапасающего вещества, превратив его в графан [1], тем более, что нанотехнологии позволяют это сделать. Гидрирование позволяет также изменять параметры запрещенной зоны, превращая графен в настоящий полупроводник. Однако, ключевым вопросом в проблеме эффективного химического допирования графенового слоя является понимание связывающих свойств атомов водорода на поверхности адсорбента. Именно эта тема затронута в работе [2] коллективом исследователей из нанотехнологического центра iNANO при Aarhus University (Дания). Авторы с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) детально исследовали формирование и структуру водородных кластерных образований на графене и убедились в том, что процесс гидрирования полностью обратим в процессе термического отжига.

Рис. 1. а – СТМ изображение гидрированного графена. Яркие светящиеся участки соответствуют водородным адсорбированным структурам (A = орто-димеры, B = пара-димеры, C = вытянутые димеры, D = мономеры). Вставка: схематическое расположение орто- и пара- димеров на графеновой плоскости. б – То же, что и (а), в инвертированной серой цветовой гамме

Для исследования адсорбции водорода был изготовлен образец графена на подложке из карбида кремния (SiC), который затем подвергали воздействию источника атомов адсорбата (пучок атомов водорода с параметрами: F = 10¹² – 10¹³ атомов/(см² •·с), T = 1600 K) в течение 5 с. С помощью дальнейшего детального СТМ анализа было установлено, что адсорбированный водород образует различные конфигурации на поверхности графена (рис. 1). Среди них можно выделить орто- и пара-димеры, а также ряд вытянутых димерных структур и мономеры.

Адсорбаты идентифицировали по размерам и форме посредством сравнения с экспериментально наблюдаемыми водородными димерными структурами на графите и с помощью моделирования СТМ изображений водорода на графене в рамках теории функционала плотности (DFT). Как показали DFT расчеты, орто- и пара-димеры оказались энергетически более выгодными и, следовательно, более устойчивыми. При дальнейшем “обогащении” образца водородом в течение 90 с при тех же параметрах источника атомы водорода стремятся к формированию значительных кластерных образований на его поверхности (рис. 2а).

Рис. 2. а – СТМ изображение поверхности графена после длительного воздействия источника водорода (90 с). Яркие светящиеся участки соответствуют водородным кластерным образованиям. б – Область графена, восстановленная после гидрирования посредством отжига при 800 ºC

Авторам удалось продемонстрировать, что процесс гидрирования полностью обратим, и получить “чистый” графен посредством отжига при температуре 800ºC. На рис. 2б показан лист графена после многократно повторенных циклов осаждения-отжига. Никакого заметного разрушения образца при этом не наблюдалось. Авторы также отмечают, что десорбция возможна посредством зонда СТМ, что открывает дополнительные возможности для использования графена в наноэлектронных устройствах.

М. Маслов

• 1. ПерсТ 16, вып. 4, с. 8 (2009)
• 2. R.Balog et al., J. Am. Chem. Soc. 131, 8744 (2009)