Ученые из США были первыми, кто провел непосредственные измерения электрохимических свойств обособленного одноатомного листа графена. Результаты проведенных исследований помогут в будущем при создании электронных устройств на основе этого удивительного материала.

Графен представляет собой моноатомный лист атомов углерода, формирующих гексагональную двумерную кристаллическую решетку. По мнению ученых, благодаря своим уникальным электронным и механическим свойствам, графен – весьма многообещающий материал для создания молекулярных электронных устройств будущего. Уникальность свойств заключается в небывало высокой электронной проводимости при достаточной механической прочности.

Однако перед тем как использовать графен в реальных устройствах, исследователям необходимо лучше понять механизм взаимодействия необычной одноатомной поверхности с отдельными молекулами.

Рис. 1. Схема проведенного эксперимента.

Предыдущие электрохимические исследования подразумевали измерения, проводимые с порошком, состоящим из отдельных фрагментов графена, расположенных между двумя электродами. Таким образом, было до конца не понятно, являются ли результаты эксперимента следствием уникальных свойств материала, или просто в игру вступала чрезвычайно большая площадь поверхности, взаимодействующая с окружающим пространством.

Исключением этой неопределенности занялись ученые из Cornell University (США). Они тщательно изучили свойства одного единственного листа графена и теперь, по их собственным словам, могут отличить особенности, свойственные именно удивительному материалу.

Исследователи изучили листы графена, произведенные при помощи методики механического отслоения (так называемой техники липкой ленты), а также выращенные при помощи комплекса методик осаждения из парообразного состояния. В обоих случаях было обнаружено, что скорость, с которой электроны из отдельных молекул ферроцен-метанола переходят в графен, почти в 10 раз выше скорости перемещения заряженных частиц в графите (материала, из которого графен «отслаивают»).

Помимо проведения электрохимических измерений, ученые смогли в реальном времени обнаружить отдельные молекулы, десорбирующие с поверхности графена. Этот результат помог им по-новому взглянуть на свойства графена, кроме того, он показал, что электрохимия – перспективный способ исследования взаимодействий между отдельными молекулами и поверхностью графена.

Ученые смогли добиться таких результатов благодаря успеху, достигнутому в процессе производства отдельных высококачественных листов графена и использования этих листов в качестве электродов. Поскольку они изучали поверхностные свойства одноатомных слоев углерода, шаги, необходимые для производства этих листов, были оптимизированы с целью снижения загрязнений этой поверхности. Кроме того, отдельное внимание было уделено проектированию экспериментальной установки, которая гарантировала, что металлические электроды, контактирующие с графеном, не были подвержены электрохимическим реакциям в растворе, применяемом на эксперименте. Т.е. поверхность графена была единственной электрохимически-активной областью во время измерений. Подтвердить чистоту поверхности и химической реакции позволили циклические вольтамметрические измерения. Подробные результаты работы ученых приведены в журнале ACS Nano.

По мнению исследователей, столь высокая скорость транспорта заряда в графене связана с тем, что этот материал ведет себя гораздо активнее, чем трехмерный кристалл графита. На поверхности графена всегда присутствуют складки и морщины, не свойственные графиту. Складки обуславливают механические напряжения, которые делают поверхность более восприимчивой к химическим реакциям. Кроме того, измерения показали, что графен также более эффективен при передаче электронов между поверхностью и молекулой в растворе.