Графен является одним из самых перспективных материалов современности, который множество ученых и инженеров пытаются использовать для создания разнообразных электронных устройств следующих поколений. Мы уже видели самые маленькие в мире графеновые “лампочки накаливания”, высокоэффективные солнечные батареи, гибкие дисплеи, транзисторы, обладающие превосходными характеристиками, и множество других интересных и необычных вещей. Однако, во всех этих случаях графен использовался в его естественной форме, форме углеродного листа, имеющего толщину в один атом.
Естественная форма графена требует необходимости использования дополнительных структур и элементов, позволяющих поддержать неизменной форму графенового листа. А недавно исследователи из университета Иллинойса (University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC) разработали технологию, позволяющую дать плоскому двухмерному графену еще одно пространственное измерение, другими словами, сформировать из графена трехмерные структуры, которые могут стать элементами совершенно нового класса инновационных электронных приборов.
Для того, чтобы получить возможность придавать графеновой пленке сложные трехмерные формы, ученым потребовалась технология, гарантирующая целостность структуры графена при его деформации во время формовки. Ученые использовали предварительно изготовленное основание, форму, на который была нанесена графеновая пленка, обработанная специальным растворителем на основе полиметилсилоксана (polydimethylsiloxane, PDMS), под воздействием которого она “раздулась” и обрела эластичность. Наложив подготовленную графеновую пленку на матрицу, ученые поместили это в камеру, где были созданы условия, в которых растворитель испарялся очень малыми темпами, оставляя на поверхности формы чистую графеновую пленку, которая приняла необходимую форму. И, при помощи такого способа, ученым удалось изготовить целый ряд разнообразных трехмерных объектов из графена.
Созданные из графена конусы, пирамиды и другие микроструктуры имели размеры от 3.5 до 50 микрометров, что позволит изготовить на их основе достаточно широкий ряд различных электронных устройств, фотодатчиков, наноантенн, и других сверхминиатюрных компонентов, которые в будущем смогут заменить свои кремниевые аналоги. А благодаря высокой подвижности носителей электрического заряда в графене, химической инертности и механической прочности этого материала, его биологической совместимости, такие трехмерные объекты из графена могут найти широкое применение в большом круге разных областей, где об этом пока еще даже и не задумываются.
Для проверки целостности структуры графена, сформованного в виде трехмерных объектов, ученые произвели тщательные исследования полученных образцов при помощи электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, рамановской спектроскопии, измерения сопротивления и других исследовательских методов. И результаты всех этих исследований подтвердили, что графеновая пленка полностью сохранила свою шестиугольно-ячеистую структуру, а форма трехмерных объектов не претерпела изменений в течении длительного времени.
“Разработанная нами технология является универсальным и масштабируемым методом производства из графена трехмерных структур, имеющих форму любой сложности” – рассказывает Джонгюн Чой (Jonghyun Choi), один из ученых, задействованных в данных исследованиях, “Кроме того, что создаваемые нами трехмерные объекты не имеют дефектов графеновой пленки, наша технология позволяет создавать одновременно тысячи и миллионы абсолютно одинаковых объектов, демонстрирующих высокую однородность их форм, физических и электрических характеристик”.